Основи квантової фізики. Квантова фізика для чайників! Найкращі експерименти

Повернення машини за гарантією або квантова фізика для чайників.

Припустимо, зараз 3006 рік. Ви йдете у «зв'язковий» і купуєте бюджетну китайську машину часу на виплат на 600 років. Хочете шпурнути на тиждень вперед, щоб обставити букмекерську контору. У передчутті великого куша судорожно набираєте дату прибуття на синій пластмасовій коробочці.

І ось сміх: У ній з ходу згоряє Никадимово-хрононний перетворювач. Машинка, видавши передсмертний писк, закидає вас у 62342 рік. Людство розділилося на спиноп'ятників та оглоблених і розлетілося по далеких галактиках. Сонце розпродано інопланетянам, Землею правлять гігантські радіоактивні кремнієві черв'яки. Атмосфера - суміш фтору та хлору. Температура мінус 180 градусів. Земля ерозувала і ви на додаток падаєте на скелю з флюоритових кристалів метрів з п'ятнадцяти. На останньому видиху ви користуєтеся своїм цивільним галактичним правом одного міжчасового дзвінка за своїм брелоком. Телефонуйте в центр технічної підтримки «зв'язного», де вам ввічливий робот повідомляє, що гарантія на машину часу становить 100 років і в їх часі вона абсолютно справна, а в 62342 вам накапала невимовна людським мовним механізмом кількість мільйонів пенні за так і не виплаченою ні разу в розстрочку.

Врятуй і збережи! Господи, дякую, що ми живемо в цьому зачуханому ведмежому минулому, де такі нагоди неможливі!
…Хоча ні! Просто більшість великих наукових відкриттів дають не такі епічні результати, як представляється різним фантастам.

Лазери не спалюють міста та планети – вони записують та передають інформацію, розважають школярів. Нанотехнології не перетворюють всесвіт на полчище наноботів, що самовідтворюється. Вони роблять дощовик більш непромокальним, а бетон - більш довговічним. Атомна бомба, підірвана в морі, так жодного разу і не запустила ланцюгову реакцію термоядерного синтезу ядер водню і не перетворила нас на ще одне сонце. Адронний колайдер не вивернув планету навиворіт і не затяг весь світ у чорну дірку. Штучний інтелект уже створений, тільки над ідеєю знищення людства він тільки глузує.
Машина часу – не виняток. Справа в тому, що її було створено ще в середині минулого століття. Була побудована не як самоціль, а лише як інструмент для створення одного невеликого, непоказного, але дуже примітного пристрою.

Свого часу професор Дмитро Миколайович Грачов був дуже спантеличений питанням створення ефективних засобів захисту від радіовипромінювання. Завдання на перший погляд здавалося нездійсненним - пристрій на кожну радіохвилю мало видавати у відповідь свою таку ж і при цьому не бути ніяк прив'язаною до джерела сигналу (оскільки він ворожий). Дмитро Миколайович одного разу спостерігав як у дворі діти грають у «викидала». У грі перемагає найшвидший, хто найефективніше ухиляється від м'яча. Для цього потрібна координація, а головне – вміння передбачати траєкторію м'яча.

Здатність передбачати визначається обчислювальним ресурсом. Але в нашому випадку нарощування обчислювальних ресурсів ні до чого не спричинить. На це не вистачить швидкості та точності навіть у найсучасніших суперкомп'ютерів. Йшлося про передбачення спонтанного процесу зі швидкістю напівперіоду НВЧ – радіохвилі.

Професор підібрав м'яч, що відлетів у кущі, і кинув його назад дітям. Навіщо передбачати, куди летить м'яч, коли він уже прилетів? Вихід був знайдений: характеристики невідомого вхідного радіосигналу чудово відомі в недалекому майбутньому і обчислювати їх просто нема чого. Їх достатньо там безпосередньо виміряти. Але невдача - переміщатися в часі навіть на наносекундочку неможливо. Однак для поставленого завдання цього й не потрібно. Потрібно лише, щоб чутливий елемент пристрою - транзистор був у недалекому майбутньому хоча б частково. І тут на допомогу прийшло нещодавно відкрите явище квантової суперпозиції. Сенс його в тому, що та сама частка може перебувати в різних місцях і часах одночасно.

За підсумками професором Грачовим була створена Масоорієнтована квантова електронна пастка - справжня машина часу, в якій був уперше створений напівпровідниковий чіп, частина електронів якого перебувають у майбутньому і одночасно у теперішньому. Прототип того самого ТМА – чіпа, який керує резонатором Грачова. Можна сказати, що ця штука завжди буде однією ногою у майбутньому.

Класична фізика, що існувала до винаходу квантової механіки, описує природу у звичайному (макроскопічному) масштабі. Більшість теорій у класичній фізиці можна вивести як наближення, що діє у звичних для нас масштабах. Квантова фізика (вона і квантова механіка) відрізняється від класичної науки тим, що енергія, імпульс, кутовий момент та інші величини пов'язаної системи обмежені дискретними значеннями (квантуванням). Об'єкти мають особливі властивості як у вигляді частинок, і у вигляді хвиль (дуальність хвильових частинок). Також у цій науці є межі точності, з якою можна виміряти величини (принцип невизначеності).

Можна сміливо сказати, що після виникнення квантової фізики в точних науках відбулася своєрідна революція, що дозволила заново переглянути і проаналізувати всі старі закони, які раніше вважалися непорушними істинами. Добре це чи погано? Мабуть, добре, адже справжня наука ніколи не мусить стояти на місці.

Однак "квантова революція" стала своєрідним ударом для фізиків старої школи, яким довелося змиритися з тим, що те, у що вони вірили раніше, виявилося лише набором помилкових та архаїчних теорій, які потребують термінового перегляду та адаптації до нової реальності. Більшість фізиків із захопленням прийняли ці нові уявлення про добре знайому науку, внісши свій внесок у її вивчення, розвиток та втілення в життя. Сьогодні квантова фізика задає динаміку всій науці загалом. Передові експериментальні проекти (на зразок Великого адронного колайдера) виникли саме завдяки ній.

Відкриття

Що можна сказати про основи квантової фізики? Вона поступово виникала з різних теорій, покликаних пояснити явища, які не могли бути узгоджені з класичною фізикою, наприклад, рішення Макса Планка у 1900 році та його підхід до проблеми випромінювання багатьох наукових проблем, а також відповідність між енергією та частотою у статті 1905 Альберта Ейнштейна , у якій пояснювалися фотоелектричні ефекти Рання теорія квантової фізики була ґрунтовно перероблена в середині 1920-х років Вернером Гейзенбергом, Максом Борном та іншими. Сучасна теорія сформульована у різних спеціально розроблених математичних концепціях. В одній з них арифметична функція (або хвильова функція) дає нам вичерпну інформацію про амплітуд ймовірності розташування імпульсу.

Наукове дослідження хвильової сутності світла почалося понад 200 років тому, коли великі та визнані вчені того часу запропонували, розробили та довели теорію світла на основі своїх власних експериментальних спостережень. Вони назвали її хвильовою.

В 1803 відомий англійський вчений Томас Янг провів свій знаменитий подвійний експеримент, в результаті якого написав прославлену роботу «Про природу світла і кольору», що зіграла величезну роль у формуванні сучасних уявлень про ці знайомі нам всім явища. Цей експеримент зіграв найважливішу роль загальному визнанні цієї теорії.

Подібні досліди часто описуються у різних книгах, наприклад, "Основи квантової фізики для чайників". Сучасні експерименти з розгоном елементарних частинок, наприклад, пошук бозона Хіггса у Великому адронному колайдері (скорочено ВАК) проводиться якраз для того, щоб знайти практичне підтвердження багатьох суто теоретичних квантових теорій.

Історія

У 1838 році Майкл Фарадей на радість усьому світу відкрив катодні промені. Слідом за цими гучними дослідженнями була заява про проблему випромінювання, так званого, "чорного тіла" (1859 рік), зроблену Густавом Кірхгофом, а також знамените припущення Людвіга Больцмана про те, що енергетичні стани будь-якої фізичної системи можуть бути ще й дискретними (1877 рік). ). Вже потім виникла квантова гіпотеза, розроблена Максом Планком (1900 рік). Вона вважається однією з основ квантової фізики. Смілива про те, що енергія може як випромінюватись, так і поглинатися в дискретних «квантах» (або енергетичних пакетах), точно відповідає закономірностям випромінювання чорного тіла, що спостерігаються.

Великий внесок у квантову фізику зробив відомий усьому світу Альберт Ейнштейн. Під враженням від квантових теорій, він розробив свою. Загальна теорія відносності - так вона називається. Відкриття квантової фізики вплинули і розробку спеціальної теорії відносності. Багато вчених у першій половині минулого століття почали займатися цією наукою з подачі Ейнштейна. Вона на той час була передовою, всім подобалася, всі нею цікавилися. Не дивно, адже вона закривала стільки "дір" у класичній фізичній науці (щоправда, нові теж створювала), пропонувала наукове обґрунтування подорожей у часі, телекінезу, телепатії та паралельних світів.

Роль спостерігача

Будь-яка подія чи стан залежить безпосередньо від спостерігача. Зазвичай, саме так основи квантової фізики коротко пояснюються людям, далеким від точних наук. Однак насправді все набагато складніше.

Це чудово узгоджується з багатьма окультними та релігійними традиціями, які споконвіку наполягали на можливості людей впливати на навколишні події. До певної міри це ще й ґрунт для наукового пояснення екстрасенсорики, адже тепер твердження про те, що людина (спостерігач) здатна впливати силою думки на фізичні події, не здається абсурдною.

Кожен власний стан події або об'єкта, що спостерігається, відповідає власному вектору спостерігача. Якщо спектр оператора (спостерігача) дискретний, об'єкт, що спостерігається, може досягати тільки дискретних власних значень. Тобто об'єкт спостереження, як і його характеристики, повністю визначається цим самим оператором.

На відміну від загальноприйнятої класичної механіки (або фізики), тут не можна робити одночасні передбачення пов'язаних змінних, таких як положення та імпульс. Наприклад, електрони можуть (з певною ймовірністю) розташовуватися приблизно в певній області простору, але їх математично точне положення насправді невідоме.

Контури постійної щільності ймовірності, які часто називають «хмарами», можуть бути проведені навколо ядра атома, щоб концептуалізувати, де електрон може бути розташований з найбільшою ймовірністю. Принцип невизначеності Гейзенберга доводить нездатність точно виявити місцезнаходження частки з урахуванням її поєднаного імпульсу. Деякі моделі в цій теорії мають суто абстрактний обчислювальний характер і не припускають прикладного значення. Втім, часто їх використовують для обчислення складних взаємодій на рівні та інших тонких матерій. Крім того, цей розділ фізики дозволив вченим припустити можливість реального існування багатьох світів. Можливо, незабаром ми зможемо їх побачити.

Хвильові функції

Закони квантової фізики дуже об'ємні та різноманітні. Вони перетинаються з уявленням про хвильові функції. Деякі особливі створюють розкид ймовірностей, який за своєю суттю є постійним або незалежним від часу, наприклад, коли в стаціонарному положенні енергії час зникає по відношенню до хвильової функції. Це один із ефектів квантової фізики, який є для неї основним. Цікавий факт у тому, що феномен часу був кардинально переглянутий у цій незвичайній науці.

Теорія обурень

Проте є кілька надійних способів розробки рішень, необхідні роботи з формулами і теоріями в квантової фізики. В одному з таких методів широко відомий як "теорія збурень", використовується аналітичний результат для елементарної квантово-механічної моделі. Вона була створена, щоб досягти результатів від експериментів для розробки ще складнішої моделі, яка пов'язана з більш простою моделлю. Ось така рекурсія виходить.

Цей підхід особливо важливий у теорії квантового хаосу, яка надзвичайно популярна для трактування різних подій у мікроскопічній реальності.

Правила та закони

Правила квантової механіки є фундаментальними. Вони стверджують, що простір розгортання системи абсолютно фундаментальний (воно має скалярний твір). Ще одне твердження полягає в тому, що ефекти, що спостерігаються цією системою, є в той же час і своєрідними операторами, що впливають на вектори в цьому самому середовищі. При цьому вони не говорять нам, який гільбертовий простір або які оператори існують зараз. Їх можна підібрати відповідним чином, щоб отримати кількісний опис квантової системи.

Значення та вплив

З моменту виникнення цієї незвичайної науки багато антиінтуїтивних аспектів і результатів вивчення квантової механіки спровокували гучні філософські дебати і багато інтерпретації. Навіть фундаментальні питання, такі як правила на тему обчислення різних амплітуд і розподілу ймовірностей, заслуговують на повагу з боку суспільства і багатьох провідних учених.

Наприклад, одного разу з сумом помітив, що він зовсім не впевнений у тому, що хтось із вчених взагалі розуміє квантову механіку. Згідно Стівена Вайнберга, на даний момент немає тієї інтерпретації квантової механіки, яка б усіх влаштовувала. Це говорить про те, що вчені створили "монстра", повністю зрозуміти та пояснити існування якого вони самі не в змозі. Однак це ніяк не шкодить актуальності та популярності цієї науки, а приваблює до неї молодих фахівців, які бажають вирішувати справді складні та незрозумілі завдання.

Крім того, квантова механіка змусила повністю переглянути об'єктивні фізичні закони Всесвіту, що не може не тішити.

Копенгагенська інтерпретація

Відповідно до цієї інтерпретації, стандартне визначення причинності, відоме нам із класичної фізики, більше не потрібне. Згідно з квантовими теоріями, причинності у звичному для нас розумінні не існує взагалі. Усі фізичні явища у яких пояснюються з погляду взаємодії найдрібніших елементарних частинок на субатомному рівні. Ця область, незважаючи на неймовірність, надзвичайно перспективна.

Квантова психологія

Що можна сказати про взаємозв'язок квантової фізики та свідомості людини? Про це чудово написано у книзі, написаній Робертом Антоном Вілсоном у 1990 році, яка називається "Квантова психологія".

Згідно з теорією, викладеною в книзі, всі процеси, що відбуваються в нашому мозку, обумовлені законами, описаними в цій статті. Тобто, це своєрідна спроба адаптувати теорію квантової фізики під психологію. Ця теорія вважається паранауковою і не визнається академічною спільнотою.

Книга Вілсона примітна тим, що він наводить в ній набір різних технік і практик, які в тій чи іншій мірі доводять його гіпотезу. Так чи інакше, але читач повинен самостійно вирішити, чи вірить він чи ні спроможність подібних спроб застосувати математичні та фізичні моделі до гуманітарних наук.

Деякі сприйняли книгу Вілсона як спробу виправдати містичне мислення та прив'язати його до науково доведених новомодних фізичних формулювань. Ця вельми нетривіальна і яскрава праця залишається затребуваною вже понад 100 років. Книгу видають, перекладають та читають у всьому світі. Хтозна, можливо, з розвитком квантової механіки зміниться і ставлення наукової спільноти до квантової психології.

Висновок

Завдяки цій чудовій теорії, яка незабаром стала окремою наукою, ми отримали можливість дослідити навколишню реальність на рівні субатомних частинок. Це найдрібніший рівень із усіх можливих, абсолютно недоступний нашому сприйняттю. Що фізики раніше знали про наш світ, потребує термінового перегляду. Із цим згодні абсолютно всі. Стало очевидно, різні частки можуть взаємодіяти друг з одним на зовсім немислимих відстанях, які ми можемо вимірювати лише шляхом складних математичних формул.

Крім того, квантова механіка (і квантова фізика) довела можливість існування безлічі паралельних реальностей, подорожей у часі та інших речей, які протягом усієї історії вважалися лише долею наукової фантастики. Це, безсумнівно, величезний внесок у науку, а й у майбутнє людства.

Для любителів наукової картини світу ця наука може бути як другом, і ворогом. Справа в тому, що квантова теорія відкриває широкі можливості для різних спекуляцій на паранаукову тему, як це було показано на прикладі однієї з альтернативних психологічних теорій. Деякі сучасні окультисти, езотерики та прихильники альтернативних релігійно-духовних течій (найчастіше - психокультів) звертаються до теоретичних побудов цієї науки для того, щоб обґрунтувати раціональність та істинність своїх містичних теорій, вірувань та практик.

Це безпрецедентний випадок, коли прості домисли теоретиків і абстрактні математичні формули привели до справжньої наукової революції і створили нову науку, яка перекреслила все, що було відомо раніше. Певною мірою квантова фізика спростувала закони арістотелівської логіки, оскільки показала, що при виборі "або" є ще один (а, можливо, кілька) альтернативний варіант.

В 1803 Томас Юнг направив пучок світла на непрозору ширму з двома прорізами. Замість очікуваних двох смужок світла на проекційному екрані він побачив кілька смуг, начебто відбулася інтерференція (накладання) двох хвиль світла з кожного прорізу. Фактично саме в цей момент зародилася квантова фізика, вірніше питання її основи. У XX і XXI століттях було показано, що не лише світло, але будь-яка одиночна елементарна частка і навіть деякі молекули поводяться як хвиля, як кванти, ніби проходячи через обидві щілини одночасно. Однак якщо поставити біля щілин датчик, який визначає, що саме відбувається з часткою в цьому місці і через яку саме щілину вона все-таки проходить, то на проекційному екрані з'являються лише дві смуги, немов факт спостереження (непрямого впливу) руйнує функцію хвиль і об'єкт поводиться як матерія. ( відео)

Принцип невизначеності Гейзенберга - фундамент квантової фізики!

Завдяки відкриттю 1927 року тисячі вчених і студентів повторюють один і той же простий експеримент, пропускаючи лазерний промінь через щілину, що звужується. Логічно, видимий слід від лазера на проекційному екрані стає все вже й слідом за зменшенням зазору. Але в певний момент, коли щілина стає досить вузькою, пляма від лазера раптом починає ставати ширшою і ширшою, розтягуючись по екрану і тьмяніючи поки що щілина не зникне. Це очевидний доказ квінтесенції квантової фізики - принципу невизначеності Вернера Гейзенберга, видатного фізика-теоретика. Суть його в тому, що чим точніше ми визначаємо одну з парних характеристик квантової системи, тим невизначенішою стає друга характеристика. В даному випадку, чим точніше ми визначаємо щілиною координати фотонів лазера, що звужується, тим невизначенішим стає імпульс цих фотонів. У макросвіті ми точно також можемо виміряти або точне місце розташування меча, взявши його в руки, або його напрям, але ніяк не одночасно, так як це суперечить і заважає один одному. ( , відео)

Квантова надпровідність та ефект Мейснера

У 1933 році Вальтер Мейснер виявив цікаве явище у квантовій фізиці: в охолодженому до мінімальних температур надпровіднику магнітне поле витісняється за його межі. Це явище отримало назву ефект Мейснера. Якщо звичайний магніт покласти на алюміній (або інший надпровідник), а потім його охолодити рідким азотом, то магніт злетить і зависне в повітрі, так як "бачитиме" витіснене з охолодженого алюмінію своє ж магнітне поле тієї ж полярності, а однакові сторони магнітів відштовхуються . ( , відео)

Квантова надплинність

У 1938 році Петро Капіца охолодив рідкий гелій до близької до нуля температури і виявив, що речовина зникла в'язкість. Це явище в квантовій фізиці отримало назву надплинність. Якщо охолоджений рідкий гелій налити на дно склянки, він все одно витіче з нього по стінках. Фактично, поки гелій достатньо охолоджений для нього немає меж, щоб розлитися, незалежно від форми та розміру ємності. Наприкінці XX і на початку XXI століть надплинність за певних умов була також виявлена ​​у водню та різних газів. ( , відео)

Квантовий тунелінг

У 1960 році Айвор Джайєвер проводив електричні досліди з надпровідниками, розділеними мікроскопічною плівкою оксиду алюмінію, що не проводить струм. З'ясувалося, що всупереч фізиці та логіці частина електронів все одно проходить через ізоляцію. Це підтвердило теорію можливості квантового тунельного ефекту. Він поширюється як на електрику, а й будь-які елементарні частинки, вони ж хвилі відповідно до квантової фізики. Вони можуть проходити перешкоди наскрізь, якщо ширина цих перешкод менша за довжину хвилі частинки. Чим перешкода вже, тим частіше частки проходять крізь них. ( , відео)

Квантова заплутаність та телепортація

У 1982 році фізик Ален Аспэ, майбутній лауреат Нобелівської премії, направив два одночасно створені фотони на різноспрямовані датчики визначення їх спина (поляризації). Виявилося, що вимір спина одного фотона миттєво впливає на положення спину другого фотона, який стає протилежним. Так було доведено можливість квантової заплутаності елементарних частинок і квантова телепортація. У 2008 році вченим вдалося виміряти стан квантово-заплутаних фотонів на відстані 144 кілометрів і взаємодія між ними все одно виявилася миттєвою, якби вони були в одному місці або не було простору. Вважається, що якщо такі квантово-заплутані фотони виявляться в протилежних ділянках всесвіту, то взаємодія між ними все одно буде миттєвою, хоча світло ця відстань долає за десятки мільярдів років. Цікаво, але згідно з Ейнштейном для фотонів часу, що летять зі швидкістю світла, теж немає. Чи це збіг? Так не думають фізики майбутнього! ( , відео)

Квантовий ефект Зенона та зупинка часу

1989 року група вчених під керівництвом Девіда Вайнленда спостерігала за швидкістю переходу іонів берилію між атомними рівнями. З'ясувалося, що сам факт виміру стану іонів уповільнював їхній перехід між станами. На початку XXI століття у подібному експерименті з атомами рубідії вдалося досягти 30-кратного уповільнення. Все це є підтвердженням квантового ефекту Зенона. Його сенс у тому, що сам факт виміру стану нестабільної частки у квантовій фізиці уповільнює швидкість її розпаду і теоретично може його повністю зупинити. ( , відео англ.)

Квантова гумка з відкладеним вибором

У 1999 році група вчених під керівництвом Марлана Скалі направляла фотони через дві щілини, за якими стояла призма, що конвертує кожен фотон, що виходить, у пару квантово-заплутаних фотонів і розділяючи їх на два напрямки. Перше надсилало фотони на основний детектор. Другий напрямок відправляла фотони на систему 50% відбивачів і детекторів. З'ясувалося, якщо фотон з другого напрямку досягав детектори, що визначають щілину, з якої він вилетів, то основний детектор фіксував його парний фотон як частинку. Якщо фотон з другого напрямку досягав детектори не визначальні щілину, з якої він вилетів, то основний детектор фіксував його парний фотон як хвилю. Не тільки вимір одного фотона відбивався на його квантово-заплутаній парі, але й це відбувалося поза відстанню та часом, адже вторинна система детекторів фіксувала фотони пізніше за основне, начебто майбутнє визначало минуле. Вважається, що це найнеймовірніший експеримент у історії квантової фізики, а й у історії всієї науки, оскільки він підриває багато звичні основи світогляду. ( , відео англ.)

Квантова суперпозиція та кіт Шредінгера

У 2010 році Аарон О’Коннелл помістив невелику металеву пластину у непрозору вакуумну камеру, яку охолодив майже до абсолютного нуля. Потім він надав імпульс пластині, щоб вона вібрувала. Однак датчик положення показав, що пластина вібрувала і була спокійна одночасно, що відповідало теоретичної квантової фізики. Цим уперше було доведено принцип суперпозиції на макрооб'єктах. В ізольованих умовах, коли не відбувається взаємодії квантових систем, об'єкт може одночасно перебувати в необмеженій кількості будь-яких можливих положень, ніби він більше не був матеріальним. ( , відео)

Квантовий Чеширський кіт та фізика

У 2014 році Тобіас Денкмайр та його колеги розділили потік нейтронів на два пучки та провели серію складних вимірювань. З'ясувалося, що за певних обставин нейтрони можуть перебувати в одному пучку, а їх магнітний момент в іншому пучку. Таким чином було підтверджено квантовий парадокс посмішки Чеширського кота, коли частки та їх властивості можуть перебувати на наше сприйняття у різних частинах простору, як посмішка окремо від кота до казки «Аліса в країні чудес». В черговий раз квантова фізика виявилася загадковішою та дивовижною за будь-яку казку! ( , відео англ.)

Дякую за читання! Тепер ви стали трохи розумнішими і від цього наш світ трохи посвітлішав. Поділіться посиланням на цю статтю з друзями і світ стане ще кращим!

Напевно, Ви багато разів чули про незрозумілі таємниці квантової фізики та квантової механіки. Її закони зачаровують містикою і навіть самі фізики зізнаються, що до кінця не розуміють їх. З одного боку, цікаво зрозуміти ці закони, але з іншого боку, немає часу читати багатотомні та складні книги з фізики. Я дуже розумію Вас, бо теж люблю пізнання та пошук істини, але часу на всі книги катастрофічно не вистачає. Ви не самотні, дуже багато допитливих людей набирають у пошуковому рядку: «квантова фізика для чайників, квантова механіка для чайників, квантова фізика для початківців, квантова механіка для початківців, основи квантової фізики, основи квантової механіки, квантова фізика для дітей, що таке механіка». Саме для Вас ця публікація.

Вам стануть зрозумілі основні поняття та парадокси квантової фізики. Зі статті Ви дізнаєтесь:

• Що таке квантова фізика та квантова механіка?
• Що таке інтерференція?
• Що таке квантова заплутаність (або Квантова телепортація для чайників)? (див. статтю)
• Що таке уявний експеримент "Кіт Шредінгера"? (див. статтю)

Квантова механіка – це частина квантової фізики.

Чому ж так складно зрозуміти ці науки? Відповідь проста: квантова фізика та квантова механіка (частина квантової фізики) вивчають закони мікросвіту. І ці закони абсолютно відрізняються від законів нашого макросвіту. Тому нам важко уявити те, що відбувається з електронами та фотонами у мікросвіті.

Приклад відмінності законів макро- та мікросвітів: у нашому макросвіті, якщо Ви покладете кулю в одну з 2-х коробок, то в одній з них буде порожньо, а в іншій - куля. Але в мікросвіті (якщо замість кулі – атом), атом може знаходитися одночасно у двох коробках. Це багаторазово підтверджено експериментально. Чи не так, важко це вмістити в голові? Але з фактами не посперечаєшся.

Ще один приклад.Ви сфотографували червону спортивну машину, що швидко мчить, і на фото побачили розмиту горизонтальну смугу, ніби-машина в момент фото знаходилася з декількох точках простору. Незважаючи на те, що Ви бачите на фото, Ви все одно впевнені, що машина в ту секунду, коли Ви її фотографували, знаходилася. в одному конкретному місці у просторі. У мікро світі все не так. Електрон, що обертається навколо ядра атома, насправді не обертається, а знаходиться одночасно у всіх точках сферинавколо атома ядра. На зразок намотаного нещільно клубка пухнастої вовни. Це поняття у фізиці називається «електронною хмарою» .

Невеликий екскурс в історію.Вперше про квантовий світ вчені замислилися, коли 1900 року німецький фізик Макс Планк спробував з'ясувати, чому при нагріванні метали змінюють колір. Саме він увів поняття кванта. До цього вчені думали, що світло поширюється безперервно. Першим, хто серйозно сприйняв відкриття Планка, був тоді нікому невідомий Альберт Енштейн. Він зрозумів, що світло – це не лише хвиля. Іноді він поводиться, як частка. Енштейн отримав Нобелівську премію за своє відкриття, що світло випромінюється порціями, квантами. Квант світла називається фотоном ( фотон, Вікіпедія) .

Для того, щоб легше було зрозуміти закони квантової фізикиі механіки (Вікіпедія), Треба у певному сенсі абстрагуватися від звичних нам законів класичної фізики. І уявити, що Ви занурилися, як Аліса, в кролячу нору, в Країну чудес.

А ось і мультик для дітей та дорослих.Розповідає про фундаментальний експеримент квантової механіки з двома щілинами та спостерігачем. Триває лише 5 хвилин. Подивіться його перед тим, як ми заглибимося в основні питання та поняття квантової фізики.

Квантова фізика для чайників. У мультику зверніть увагу на «око» спостерігача. Він став серйозною загадкою для вчених-фізиків.

Що таке інтерференція?

На початку мультика було показано на прикладі рідини, як поводяться хвилі - на екрані за пластиною зі щілинами з'являються темні і світлі вертикальні смуги, що чергуються. А у випадку, коли в пластину «стріляють» дискретними частинками (наприклад, камінчиками), то вони пролітають крізь 2 щілини і потрапляють на екран навпроти щілин. І «малюють» на екрані лише 2 вертикальні смуги.

Інтерференція світла– це «хвильова» поведінка світла, коли на екрані відображається багато яскравих і темних вертикальних смуг, що чергуються. Ще ці вертикальні смуги називаються інтерференційною картиною.

У нашому макросвіті ми часто спостерігаємо, що світло поводиться як хвиля. Якщо поставити руку навпроти свічки, то на стіні буде не чітка тінь від руки, а з контурами, що розпливаються.

Отже, не так вже й складно! Нам зараз цілком зрозуміло, що світло має хвильову природу і якщо дві щілини освітлювати світлом, то на екрані за ними ми побачимо інтерференційну картину. Тепер розглянемо 2 експеримент. Це знаменитий експеримент Штерна-Герлаха (який провели у 20-х роках минулого століття).

В установку, описану в мультику, світлом не світили, а «стріляли» електронами (як окремими частинками). Тоді, на початку минулого століття, фізики всього світу вважали, що електрони – це елементарні частинки матерії і повинні мати не хвильову природу, а таку, як камінчики. Адже електрони це елементарні частинки матерії, правильно? Тобто, якщо ними «кидати» у 2 щілини, як камінчиками, то на екрані за прорізами ми повинні побачити 2 вертикальні смужки.

Але… Результат був приголомшливий. Вчені побачили інтерференційну картину – багато вертикальних смужок. Тобто електрони, як і світло, теж можуть мати хвильову природу, можуть інтерферувати. А з іншого боку стало зрозуміло, що світло не лише хвиля, а й частка і фотон (з історичної довідки на початку статті ми дізналися, що за це відкриття Енштейн отримав Нобелівську премію).

Може пам'ятаєте, у школі нам розповідали на фізиці про «корпускулярно-хвильовий дуалізм»? Він означає, що коли йдеться про дуже маленькі частинки (атоми, електрони) мікросвіту, то вони одночасно і хвилі, і частки

Це сьогодні ми з Вами такі розумні і розуміємо, що 2 вище описані експерименти – стрілянина електронами та освітлення щілин світлом – суть одне й теж. Тому що ми стріляємо по прорізах квантовими частинками. Зараз ми знаємо, що і світло, і електрони мають квантову природу, є хвилями і частинками одночасно. А на початку 20 століття результати цього експерименту були сенсацією.

Увага! Тепер перейдемо до більш тонкого питання.

Ми світимо на наші щілини потоком фотонів (електронів) і бачимо за щілинами на екрані інтерференційну картину (вертикальні смужки). Це зрозуміло. Але нам цікаво побачити, як пролітає кожен із електронів у прорізі.

Імовірно, один електрон летить у лівий проріз, інший – у правий. Але тоді повинні на екрані з'явитися дві вертикальні смужки прямо навпроти прорізів. Чому ж виходить інтерференційна картина? Може електрони якось взаємодіють між собою вже на екрані після прольоту через щілини. І в результаті виходить така хвилева картина. Як нам за цим простежити?

Будемо кидати електрони не пучком, а по одному. Кинемо, почекаємо, кинемо наступний. Тепер, коли електрон летить один, він не зможе взаємодіяти на екрані з іншими електронами. Реєструватимемо на екрані кожен електрон після кидка. Один-два, звичайно, не «намалюють» нам зрозумілої картини. Але коли по одному відправимо в прорізі їх багато, то зауважимо ... жах - вони знову «намалювали» інтерференційну хвильову картину!

Починаємо повільно божеволіти. Адже ми очікували, що буде 2 вертикальні смужки навпроти щілин! Виходить, що коли ми кидали фотони по одному, кожен з них проходив, як через 2 щілини одночасно і інтерферував сам з собою. Фантастика! Повернемося до пояснення цього феномена у наступному розділі.

Що таке спін та суперпозиція?

Ми знаємо, що таке інтерференція. Це хвильова поведінка мікро частинок - фотонів, електронів, інших мікро частинок (давайте для простоти з цього моменту називати їх фотонами).

В результаті експерименту, коли ми кидали у 2 щілини по 1 фотону, ми зрозуміли, що він пролітає начебто через дві щілини одночасно. Інакше як пояснити інтерференційну картину на екрані?

Але як уявити картину, що фотон пролітає крізь дві щілини одночасно? Є 2 варіанти.

• 1-й варіант:фотон, як хвиля (як вода) «пропливає» крізь 2 щілини одночасно
• 2-й варіант:фотон, як частка, летить одночасно по 2 траєкторіях (навіть не по двох, а по всіх відразу)

У принципі ці твердження рівносильні. Ми прийшли до «інтегралу з траєкторій». Це формулювання квантової механіки від Річарда Фейнмана.

До речі, саме Річарду Фейнмануналежить відомий вислів, що впевнено можна стверджувати, що квантову механіку ніхто не розуміє

Але це його вираз працював на початку століття. Але ми тепер розумні і знаємо, що фотон може вести себе і як частка, і як хвиля. Що він може якимось незрозумілим для нас способом пролітати одночасно через 2 щілини. Тому нам легко буде зрозуміти таке важливе твердження квантової механіки:

Строго кажучи, квантова механіка каже нам, що така поведінка фотона – правило, а не виняток. Будь-яка квантова частка знаходиться, як правило, в декількох станах або в декількох точках простору одночасно.

Об'єкти макросвіту можуть перебувати тільки в одному певному місці та в одному певному стані. Але квантова частка існує за своїми законами. І їй і справи немає до того, що ми їх не розуміємо. На цьому – точка.

Нам залишається просто визнати, як аксіому, що «суперпозиція» квантового об'єкта означає те, що він може перебувати на 2-х або більше траєкторіях одночасно, у 2-х або більше точках одночасно

Те саме стосується й іншого параметра фотона – спину (його власному кутовому моменту). Спин – це вектор. Квантовий об'єкт можна як мікроскопічний магнітик. Ми звикли, що вектор магніту (спин) або спрямований вгору або вниз. Але електрон або фотон знову кажуть нам: «Хлопці, нам начхати, до чого Ви звикли, ми можемо бути в обох станах спина відразу (вектор вгору, вектор вниз), так само, як ми можемо знаходитися на 2-х траєкторіях одночасно або у 2-х точках одночасно!».

Що таке "вимір" або "колапс хвильової функції"?

Нам залишилося небагато - зрозуміти ще, що таке "вимір" і що таке "колапс хвильової функції".

Хвильова функція- Це опис стану квантового об'єкта (нашого фотона або електрона).

Припустимо, у нас є електрон, він летить собі у невизначеному стані, спин його спрямований і вгору, і вниз одночасно. Нам треба виміряти його стан.

Виміряємо за допомогою магнітного поля: електрони, у яких спин був спрямований у напрямку поля, відхилиться в один бік, а електрони, у яких спин спрямований проти поля - в іншу. Ще фотони можна надсилати в поляризаційний фільтр. Якщо спін (поляризація) фотона +1 - він проходить через фільтр, а якщо -1, то ні.

Стоп! Ось тут у Вас неминуче виникне питання:Адже до вимірювання у електрона не було якогось конкретного напрямку спина, так? Адже він був у всіх станах одночасно?

У цьому й полягає фішка і сенсація квантової механіки. Поки Ви не вимірюєте стан квантового об'єкта, він може обертатися у будь-який бік (мати будь-який напрямок вектора власного кутового моменту – спина). Але в момент, коли Ви виміряли його стан, він ніби ухвалює рішення, який вектор спина йому прийняти.

Ось такий крутий цей квантовий об'єкт – сам ухвалює рішення про свій стан.І ми не можемо заздалегідь передбачити, яке рішення він ухвалить, коли влетить у магнітне поле, в якому ми його вимірюємо. Імовірність того, що він вирішить мати вектор спина вгору або вниз - 50 на 50%. Але як тільки він вирішив – він перебуває у певному стані із конкретним напрямком спина. Причиною його вирішення є наш «вимір»!

Це і називається « колапсом хвильової функції». Хвильова функція до виміру була невизначеною, тобто. вектор спина електрона знаходився одночасно у всіх напрямках, після виміру електрон зафіксував певний напрямок вектора свого спина.

Увага! Відмінний для розуміння приклад-асоціація з нашого макросвіту:

Розкрутіть на столі монету, як юлу. Поки монетка крутиться, вона не має конкретного значення — орел або решка. Але як тільки Ви вирішите «виміряти» це значення і закрийте монету рукою, ось тут і отримаєте конкретний стан монети - орел або решка. А тепер уявіть, що ця монета приймає рішення, яке значення Вам "показати" - орел або решка. Приблизно також поводиться і електрон.

А тепер згадайте експеримент, показаний наприкінці мультика. Коли фотони пропускали через щілини, вони поводилися як хвиля і показували на екрані інтерференційну картину. А коли вчені захотіли зафіксувати (виміряти) момент прольоту фотонів через щілину і поставили за екраном «спостерігача», фотони стали поводитися не як хвилі, а як частинки. І намалювали на екрані 2 вертикальні смуги. Тобто. у момент виміру чи спостереження квантові об'єкти самі обирають, у якому стані ним бути.

Фантастика! Чи не правда?

Але це ще не все. Нарешті ми дісталися найцікавішого.

Але… мені здається, що вийде перевантаження інформації, тому ці поняття ми розглянемо в окремих постах:

• Що таке ?
• Що таке уявний експеримент.

А зараз хочете, щоб інформація розклалася по поличках? Перегляньте документальний фільм, підготовлений Канадським інститутом теоретичної фізики. У ньому за 20 хвилин дуже коротко і в хронологічному порядку Вам повідають про всі відкриття квантової фізики, починаючи з відкриття Планка 1900 року. А потім розкажуть, які практичні розробки виконуються зараз на базі знань з квантової фізики: від найточніших атомних годинників до супершвидкісних обчислень квантового комп'ютера. Дуже рекомендую переглянути цей фільм.

До зустрічі!

Бажаю всім натхнення для всіх задуманих планів та проектів!

P.S.2 Пишіть Ваші запитання та думки у коментарях. Пишіть, які ще питання щодо квантової фізики Вам цікаві?

P.S.3 Підписуйтесь на блог - форма для підписки під статтею.

Привіт дорогі читачі. Якщо ви не хочете відставати від життя, бути по-справжньому щасливою та здоровою людиною, ви повинні знати про таємниці квантової сучасної фізики, хоч трохи уявляти до яких глибин світобудови докопалися сьогодні вчені. Вам ніколи вдаватися в глибокі наукові подробиці, а хочете осягнути лише суть, але побачити красу незвіданого світу, тоді ця стаття: квантова фізика для звичайних чайників або можна сказати для домогосподарок саме для вас. Я постараюся пояснити, що таке квантова фізика, але простими словами показати наочно.

"Який зв'язок між щастям, здоров'ям і квантовою фізикою?" - Запитаєте ви.

Справа в тому, що вона допомагає відповісти на багато незрозумілих питань, пов'язаних зі свідомістю людини, впливу свідомості на тіло. На жаль, медицина, спираючись на класичну фізику, не завжди допомагає нам бути здоровим. А психологія не може нормально сказати, як здобути щастя.

Тільки глибші пізнання світу допоможуть нам зрозуміти, як по-справжньому впоратися з хворобами і де живе щастя. Це знання перебувають у глибоких верствах Всесвіту. На допомогу нам приходить квантова фізика. Скоро ви все дізнаєтесь.

Що вивчає квантова фізика простими словами

Так, справді квантову фізику дуже складно зрозуміти через те, що вона вивчає закони мікросвіту. Тобто світ на глибших його прошарках, на дуже малих відстанях, там, куди дуже складно зазирнути людині.

А світ, виявляється, поводиться там дуже дивно, загадково і незбагненно, не так як ми звикли.

Звідси вся складність та нерозуміння квантової фізики.

Але після прочитання цієї статті ви розсунете горизонти свого пізнання і подивіться світ зовсім по-іншому.

Коротко про історію квантової фізики

Все почалося на початку 20 століття, коли ньютонівська фізика не могла пояснити багато речей і вчені зайшли в глухий кут. Тоді Максом Планком було запроваджено поняття кванта. Альберт Ейнштейн підхопив цю ідею та довів, що світло поширюється не безперервно, а порціями – квантами (фотонами). До цього вважалося, що світло має хвильову природу.

Але як виявилося пізніше будь-яка елементарна частка, це квант, тобто тверда частка, і навіть хвиля. Так з'явився корпускулярно-хвильовий дуалізм у квантовій фізиці, перший парадокс та початок відкриттів загадкових явищ мікросвіту.

Найцікавіші парадокси почалися, коли було проведено знаменитий експеримент із двома щілинами, після якого загадок стало набагато більше. Можна сміливо сказати, що квантова фізика почалася з нього. Давайте його розглянемо.

Експеримент із двома щілинами у квантовій фізиці

Уявіть пластину з двома щілинами у вигляді вертикальних смуг. За цією пластиною поставимо екран. Якщо направити світло на пластину, то на екрані побачимо інтерференційну картину. Тобто темні і яскраві вертикальні смуги, що чергуються. Інтерференція це результат хвильової поведінки чогось, у разі світла.

Якщо ви пропустите хвилю води через два отвори розташованих поруч, ви зрозумієте, що таке інтерференція. Тобто світло виходить начебто має хвильову природу. Але, як довела фізика, вірніше Ейнштейн, він поширюється частинками-фотонами. Вже феномен. Але це добре, корпускулярно-хвильовим дуалізмом нас уже не здивувати. Квантова фізика говорить нам, що світло поводиться як хвиля, але складається з фотонів. Але дива лише починаються.

Давайте перед пластиною з двома прорізами поставимо гармату, яка випромінюватиме не світло, а електрони. Почнемо стріляти електронами. Що побачимо на екрані за пластиною?

Адже електрони це частинки, отже потік електронів, проходячи через дві щілини, повинні залишати на екрані всього дві смуги, два сліди навпроти щілин. Уявили собі камінці, що пролітають крізь дві щілини і вдаряють об екран?

Але що ми бачимо насправді? Всю ту саму інтерференційну картину. Який висновок: електрони розповсюджуються хвилями. Отже електрони це хвилі. Але це елементарна частка. Знову корпускулярно-хвильовий дуалізм у фізиці.

Але можна припустити, що на глибшому рівні електрон – це частка, а коли ці частинки збираються разом, вони починають поводитися як хвилі. Наприклад, морська хвиля це хвиля, але вона складається з крапель води, але в дрібнішому рівні з молекул, та був з атомів. Добре, логіка тверда.

Тоді давайте стрілятимемо з гармати не потоком електронів, а випускатимемо електрони окремо, через якийсь проміжок часу. Якби ми пропускали через щілини не морську хвилю, а плювалися б окремими краплями з дитячого водяного пістолета.

Цілком логічно, що в такому разі різні краплі води потрапляли б у різні щілини. На екрані за пластиною можна було б не інтерференційну картину від хвилі, а дві чіткі смуги від удару навпроти кожної щілини. Те саме ми побачимо, якщо кидати дрібне каміння, вони, пролітаючи крізь дві щілини, залишали б слід, немов тінь від двох отворів. Давайте тепер стріляти окремими електронами, щоб побачити ці дві смуги на екрані від ударів електронів. Випустили один, зачекали, другий, зачекали і так далі. Вчені квантової фізики змогли зробити такий експеримент.

Але жах. Замість цих двох смуг виходять ті самі інтерференційні чергування декількох смуг. Як так? Таке може статися, якби електрон пролітав одночасно через дві щілини, а за пластиною, як хвиля стикався б сам із собою та інтерферував. Але таке не може бути, адже частка не може перебувати у двох місцях одночасно. Вона або пролітає через першу щілину або через другу.

Ось тут починаються воістину фантастичні речі квантової фізики.

Суперпозиція у квантовій фізиці

При глибшому аналізі вчені з'ясовують, що будь-яка елементарна квантова частка або той самий світ (фотон) насправді можуть перебувати в декількох місцях одночасно. І це не дива, а реальні факти мікросвіту. Так стверджує квантова фізика. Саме тому, стріляючи з гармати окремою часткою, бачимо результат інтерференції. За пластиною електрон стикається сам із собою і створює інтерференційну картину.

Звичайні нам об'єкти макросвіту завжди в одному місці, мають один стан. Наприклад, ви зараз сидите на стільці, важите, припустимо, 50 кг, маєте частоту пульсу 60 ударів на хвилину. Звичайно, ці свідчення зміняться, але зміняться вони через якийсь час. Адже ви не можете одночасно бути вдома та на роботі, важити 50 та 100 кг. Все це зрозуміло, це здоровий глузд.

У фізиці мікросвіту все по-іншому.

Квантова механіка стверджує, а це вже підтверджено експериментально, що будь-яка елементарна частка може знаходитися одночасно не тільки в декількох точках простору, але також мати в один і той же час кілька станів, наприклад, спин.

Все це не вкладається в голову, підриває звичне уявлення про світ, старі закони фізики, перевертає мислення, можна сміливо сказати зводить з розуму.

Так ми приходимо до розуміння терміну "суперпозиції" у квантовій механіці.

Суперпозиція означає, що об'єкт мікросвіту може одночасно знаходитись у різних точках простору, а також мати кілька станів одночасно. І це нормально для елементарних частинок. Такий закон мікросвіту, яким би дивним та фантастичним він не здавався.

Ви здивовані, але це лише квіточки, найнезрозуміліші дива, загадки та парадокси квантової фізики ще попереду.

Колапс хвильової функції у фізиці простими словами

Потім вчені вирішили з'ясувати та подивитися точніше, чи реально електрон проходить через обидві щілини. Раптом він проходить через одну щілину, а потім якимось чином поділяється і створює інтерференційну картину, проходячи через неї. Ну хіба мало. Тобто потрібно поставити якийсь прилад біля щілини, який би точно зафіксував проходження електрона через неї. Сказано зроблено. Звичайно, здійснити це складно, потрібний не прилад, а щось інше, щоб побачити проходження електрона. Але вчені зробили це.

Але в результаті результат приголомшив усіх.

Як тільки ми починаємо дивитися, через яку щілину проходить електрон, він починає поводитися не як хвиля, не як дивна речовина, яка одночасно знаходиться в різних точках простору, а як звичайна частка. Тобто починає проявляти конкретні властивості кванта: знаходиться лише в одному місці, проходить через одну щілину, має значення спина. На екрані з'являється не інтерференційна картина, а простий слід навпроти щілини.

Але як таке можливе. Начебто електрон жартує, грає з нами. Спочатку він поводиться як хвиля, а потім, після того, як ми вирішили подивитися проходження його через щілину, виявляє властивості твердої частки і проходить лише через одну щілину. Але так воно і є у мікросвіті. Такими є закони квантової фізики.

Вчені побачили ще одну загадкову властивість елементарних частинок. Так з'явилися в квантовій фізиці поняття невизначеності та колапсу хвильової функції.

Коли електрон летить до щілини, він знаходиться в невизначеному стані або, як ми сказали вище в суперпозиції. Тобто поводиться як хвиля, знаходиться одночасно в різних точках простору, має одразу два значення спина (у спина всього два значення). Якби ми його не чіпали, не намагалися дивитись на нього, не з'ясовували, де саме він знаходиться, не вимірювали б значення його спина, він би так і пролетів як хвиля одночасно через дві щілини, а отже, створив інтерференційну картину. Його траєкторія та параметри квантова фізика описує за допомогою хвильової функції.

Після того, як ми виміряли (а зробити вимір частинки мікросвіту можна тільки взаємодіючи з нею, наприклад, зіштовхнути з нею іншу частинку), то відбувається колапс хвильової функції.

Тобто тепер електрон знаходиться точно в якомусь одному місці простору, що має одне значення спина.

Можна сказати елементарна частка як привид, вона як би є, але одночасно її немає в одному місці, і може з певною ймовірністю опинитися в будь-якому місці в межах опису функцією хвиль. Але як тільки ми починаємо з нею контактувати, вона із примарного об'єкта перетворюється на реальну відчутну речовину, яка веде себе як звичайні, звичні для нас предмети класичного світу.

"Оце фантастика" - скажете ви. Звісно, ​​але дива квантової фізики лише починаються. Найнеймовірніше ще попереду. Але давайте трохи відпочинемо від великої кількості інформації і повернемося до квантових пригод в інший раз, в іншій статті. А поки що поміркуйте про те, що ви сьогодні дізналися. До чого можуть спричинити такі дива? Адже вони оточують нас, це властивість нашого світу, хоч і на глибшому рівні. А ми все ще думаємо, що живемо у нудному світі? Але висновки зробимо пізніше.

Я спробував розповісти про основи квантової фізики коротко та зрозуміло.

Але якщо ви щось не зрозуміли, тоді подивіться ось цей мультик про квантову фізику, про експеримент із двома щілинами, там також все розповідається зрозумілою, простою мовою.

Мультфільм про квантову фізику:

Або можна дивитися ось це відео, все стане на свої місця, адже квантова фізика дуже цікава.

Відео про квантову фізику:

І як ви раніше про це не знали.

Сучасні відкриття квантової фізики змінюють наш звичний матеріальний світ.