Первый важный шаг на пути создания квантовой механики совершил ученый, не имеющий базового физического образованияЛуи де Бройль занимался философией науки и часто посещал лабораторию своего брата, известного специалиста в области рентгеновской физики, Мориса де Бройля. Он заметил, что в дискуссиях с коллегами его брат, с одной стороны, говорит о рентгеновских лучах, а с другой — о рентгеновских частицах, наконец в определенных условиях — о рентгеновских волнах. На вопрос Луи относительно природы рентгеновского излучения Морис де Бройль ответил, что речь идет и о волнах, и о частицах одновременно. В результате этого разговора Луи де Бройль выдвигает новое предположение: возможно, и материя, которая сама по себе состоит из частиц, также обладает волновыми свойствами. И если квантовая физика берет начало с работы Макса Планка, то квантовая механика — с идеи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме.
Таким образом, эта наука изначально находилась в глубоком противоречии с классической физикой. Логика мышления, которая была развита путем познания природы тысячелетиями, рушилась при попытке объяснить закономерности микромира. Ученым пришлось, по образному выражению академика Льва Ландау, «понять то, чего невозможно представить». По этой причине квантовая механика считалась наукой, которая не имеет связи с реальностью и приложения в ней. Но позже стало ясно, что именно она может ответить на очень прикладные вопросы: как устроены проводники, полупроводники, диэлектрики; как развить эти системы и на их базе создать принципиально новые. И все эти знания могут не просто пригодиться в технологиях, а перевернуть технологические возможности.
Физик Айк Саркисян об истории квантовой физики, квантовой механики и ее практических приложениях
В квантовой механике есть некая граница между тем, что мы можем знать, и тем, что нельзя знать в принципе
Эта граница определяется понятием квантового состояния — его мы можем знать точно. Пример квантового состояния: камень или атом с координатой x=10м или летящий со скоростью 10 м/с — это валидное квантовое состояние. А камень, который одновременно имеет координату x=10м и летит со скоростью 10 м/с, — уже невалидное.
Или пример со светом: у него есть поляризация. Свет представляет собой поперечную волну и распространяется вперед, а колебание электромагнитного поля — поперек. Направление колебания называется поляризацией. При этом поляризация света — это не просто свойство макроскопической волны, но и свойство отдельных фотонов. Отдельный фотон может находиться в состоянии горизонтальной, вертикальной поляризации либо в состоянии поляризации 45°, по диагонали. Если мы рассматриваем фотон с поляризацией 45°, то в принципе не знаем, горизонтальная она или вертикальная.
Нельзя сказать конкретно, какие именно характеристики измеряемы у квантовой частицы. Если это фотон, то можно измерить его частоту, поляризацию, направление, координату, но не все вместе и одновременно.
О том, какие законы действуют в квантовом мире и почему он не может существовать без парадоксов
Эйнштейн полагал, что квантовая механика — это не окончательная теория, что есть так называемые локальные скрытые параметры
Когда речь заходит про Эйнштейна и Бора, было бы глупо думать, что Эйнштейн не верил в квантовую механику. Уже в 1930-е годы всем было ясно, что квантовая механика описывает огромное количество экспериментальных данных, поэтому в этом смысле ее уравнения, конечно же, являются правильными. Эйнштейн же полагал, что квантовая механика — это не окончательная теория, что есть так называемые локальные скрытые параметры. В наших терминах: если сверхъестественное существо могло бы подсмотреть внутрь этих частиц, то увидело бы некую внутреннюю переменную, про которую мы, люди, просто не знаем, и, имея информацию об этой переменной, оно могло сразу сказать, какой спин у частиц мы измерим, как только эти частицы разбежались.
Физик Джон Белл в 1964 году предложил неравенство для проверки этой гипотезы локальной теории со скрытыми параметрами. В математике существуют так называемые теоремы запрета (no-go theorems), которые указывают, что что-то сделать нельзя в принципе, и неравенство Белла — это одна из таких теорем. Неравенство будет нарушаться, только если скрытые параметры не существуют. В результате получается экспериментальный способ не что-то установить, а что-то опровергнуть, совершенно другой способ взглянуть на наш мир. Чтобы проверить неравенство Белла, надо делать три класса измерений. В случае фотонов, например, можно измерять поляризацию горизонтальную, вертикальную и еще в каком-нибудь промежуточном направлении, например повернутом на 45°. Экспериментальный ответ из экспериментальных проверок неравенств Белла состоит в том, что неравенства эти нарушаются, а значит, никаких локальных скрытых параметров не существует.
Физик Алексей Рубцов о том, как и зачем запутываются квантовые частицы
Каждый раз, когда происходит квантовое измерение, Вселенная полностью расщепляется на состояние суперпозиции
В 1957 году Хью Эверетт предложил свою трактовку квантовой механики, которая в настоящее время набирает все большую популярность.
В определенный промежуток времени атом либо распадается, либо нет. После распада излучение попадает на детектор — сложное устройство, состоящее из множества частиц. При взаимодействии с ними происходит декогеренция — явление запутывания волновой функции с окружением. Во время этого процесса части волновой функции становятся изолированными друг от друга, как бы находясь в разных мирах. В этом и состоит суть многомировой интерпретации.
То есть если мы верим, что квантовая физика — это общая теория всего, то мы должны сказать, что Вселенная не коллапсирует, а все время распадается на такие запутанные состояния. Каждый раз, когда происходит квантовое измерение, Вселенная полностью расщепляется на состояние суперпозиции.
В случае с котом Шрёдингера происходит последовательное запутывание радиоактивного элемента с детектором, и возникает два варианта вселенной: в одной кот жив, в другой — мертв. И как только экспериментатор открывает коробку, он запутывается с котом и оказывается в соответствующей реальности, после чего запутывание распространяется со скоростью света по всей Вселенной.
Физик Алексей Кавокин об истоках квантовой механики
Шар принимает определенный цвет в тот момент, когда открывается ящик
У нас есть два черных ящика. Мы кладем в них шары двух цветов, черные и белые. В один из ящиков кладем всегда, например, черные, а в другой — белые. Отправляем один ящик на Марс, а другой на Венеру, а сами остаемся на Земле и решаем, в какой из ящиков положить какого цвета шар. При этом, когда мы в один ящик кладем черный шар, в другой всегда помещаем белый и наоборот, раскладывая их случайным образом. Два экспериментатора на Марсе и Венере получают эти ящики, открывают и смотрят: белый шар, затем черный.
В квантовой теории можно черный ящик вскрыть разными способами: можно открыть его сверху, сбоку или снизу. Способ открывания ящика — метафора для выбора базиса измерений. Разные базисы — разные способы открыть ящик. В зависимости от того, как экспериментаторы открыли ящик, они увидят там шар черный или белый, синий или красный, зеленый или коричневый.
Они записывают результаты, связываются между собой и говорят: «Я сейчас открывал ящик сверху». Второй отвечает: «О, и я тоже». И видят, что у одного был шар синий, а у другого — красный. Если оба открывали ящик снизу, у одного был коричневый шар, у другого — зеленый. И так постоянно.
И здесь возникает парадокс: как шар Боба узнает, каким ему надо стать в зависимости от того, что происходит у Алисы? Экспериментаторы же сами решают, как им открыть ящик. Поэтому шар, который лежит внутри, должен уже быть определенного цвета: он либо черный или белый, либо синий или красный, либо зеленый или коричневый.
Ответ заключается в том, что изначально у шара цвета нет. Он принимает определенный цвет в тот момент, когда открывается ящик, в результате этого процесса. Это и есть взаимодействие частицы с измерительным прибором.
Комментарии