7 фактов о квантовой теории

Что такое квантовая механика

Квантовая механика — самое удивительное, что когда-либо было изобретено людьми: она даёт лучшее возможное описание невидимых и даже непредставимых объектов, но оставляет не вполне понятным, каким образом это ей удаётся.

Алексей Семихатов

Представьте, что вы хотите предсказать, куда упадёт брошенный мяч: для этого вы руководствуетесь законами классической механики, учитываете силу тяжести, сопротивление воздуха, начальную скорость и угол броска — вписываете всё это в уравнение и в результате получаете чёткий ответ. Слово «механика» здесь означает «искусство предсказания движения» на основе известных фактов и начальных условий.

Устройство квантового мира описывается квантовой теорией (другое название — квантовая механика), где вместо мяча у нас атомы, электроны, фотоны. Под «предсказанием» здесь понимается определение вероятностей тех или иных результатов эксперимента, исходя из набора квантовых законов и начальных данных.

<<Форма демодоступа>>

Как выглядит атом 

В глубине обычных вещей — непредставимые объекты, существующие по своим правилам. 

Алексей Семихатов

Когда мы пытаемся вообразить атом, на ум невольно приходят крошечные шары. Но на самом деле «атом никак не выглядит» — так пишет Алексей Семихатов. Атом не имеет ровной поверхности и не напоминает ни шар, ни планетарную модель. 

Наше представление о материи родилось из химии: в первой половине XIX века учёные ввели атомы и молекулы как «бухгалтерские» единицы, чтобы точно высчитывать, сколько чего нужно смешать, чтобы получить новую субстанцию. До конца XIX века скептики сомневались, существуют ли эти воображаемые шарики на самом деле: молекулы и атомы невозможно увидеть в обычный микроскоп, ведь «различить с помощью света можно только те подробности, которые по размеру больше, чем длина световой волны. А у видимого света, даже если он фиолетовый (то есть наиболее коротковолновый), длина волны такая, что на ней укладывается пара тысяч атомов».

<<Сноска | «Физика проще, чем кажется» — интервью с преподавателем Александром Улитиным | https://externat.foxford.ru/polezno-znat/fizika-proshche-chem-kazhetsya-intervyu-s-prepodavatelem-aleksandrom-ulitinym>>

Поворотным моментом стали наблюдения, как микроскопическая частичка в воде бессистемно дрожит от ударов невидимых молекул, — так было доказано, что атомы действительно существуют. 

Чуть позже Дж. Дж. Томсон обнаружил электроны — неделимые носители заряда, которые вносят свою лепту в поведение материи. Тем не менее даже электрон нельзя «увидеть» в привычном смысле: всё, что мы можем наблюдать, — трек в пузырьковой камере или пиксели светящегося экрана. 

Мы никогда не увидим внешний облик атома, но, опираясь на опыты и законы квантовой механики, мы знаем, как он устроен. 

<<Баннер | Летний клуб Фоксфорда. Онлайн-занятия и розыгрыш обучения в Домашней школе | https://holidays.foxford.ru/>>

Что такое квант

Слово «квант» произошло от латинского вопросительного местоимения quantum — «насколько много?» и «какое количество?», и в физике оно стало означать порцию чего-то, обычно энергии. Идея в том, что в микромире атомов и электронов энергия течёт не непрерывно, а порциями. Например, свет несёт энергию фотонами: каждая порция энергии зависит от цвета света (длины волны) и у конкретного цвета всегда одинакова. Чем ближе цвет к сине-фиолетовому, тем больше энергия одного фотона. Когда фотонов нет вовсе, света тоже нет.  

Кванты энергии встречаются и внутри составных квантовых объектов — атомов и молекул. Электроны в атоме могут обладать лишь очень чётко определёнными значениями энергии; другие просто запрещены. Эти дискретные уровни энергии иногда сравнивают со «ступеньками»: электрон может «жить» только на какой-то одной. Чтобы перейти на более высокую, ему нужно получить энергию квантами света или в результате столкновения. А когда он «спрыгивает» вниз, он тоже отдаёт разницу между ступеньками порциями света строго определённой энергии — так образуется спектр излучения, свойственный каждому виду атомов.

Подписывайтесь на телеграм-канал Домашней школы Фоксфорда — здесь мы каждый день публикуем полезные посты о лайфхаках обучения, тайм-менеджменте, развитии и поддержке школьников, а ещё делимся бесплатными материалами и шпаргалками.

Что такое спин 

У электрона есть электрический заряд — это его «первое неотъемлемое свойство», отвечающее за взаимодействие с электрическим полем. Но у него есть ещё и «второе важное качество», которое проявляется при взаимодействии с магнитным полем. Спин в квантовой механике — это квантовое свойство, из-за которого электрон ведёт себя как крошечный магнит. Благодаря спину у электрона есть своё направление в пространстве — можно представить его как воображаемую стрелку. Эта стрелка всегда одинакова по силе, но может указывать только вдоль или против выбранного направления.

Спин электрона можно «увидеть» через прибор Штерна — Герлаха. Внутри него создаётся особое магнитное поле, и летящие электроны отклоняются в зависимости от того, куда «смотрит» их стрелка. Если магнитное поле направлено вертикально, вы получаете два чётких пятна: одно для «спин вверх», другое для «спин вниз». Никаких промежуточных значений, только два крайних положения, причём результаты приходят будто по волшебству, в случайном порядке.

Ещё более удивительно, что измерение вдоль одного направления стирает все следы предыдущего. Если вы сначала отобрали электроны со «спином вверх», а потом проверили их вдоль горизонтального направления, вы получите хаотичное сочетание «вправо» и «влево». А затем, вернув вертикальное положение, вновь увидите случайный микс «вверх» и «вниз», несмотря на то что изначально выбирали только «спин вверх». Спин оказывается «не приклеенным» сразу к нескольким осям и устанавливается только в момент измерения.

<<Форма семейного образования>>

Кот Шрёдингера

Говоря простыми словами, кот Шрёдингера — это мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера, который иллюстрирует идею, что частица может одновременно находиться в нескольких состояниях, пока мы её не измерим. Такое странное одновременное сосуществование возможностей в квантовой механике называется «суперпозиция». 

Шрёдингер предложил поместить в запечатанную коробку кота вместе с прибором, реагирующим на квантовое событие — скажем, спин электрона. Если электрон «падает» в состояние «спин вверх», прибор распыляет яд, и кот погибает. Если «спин вниз» — ничего не происходит, и кот остаётся жив. По волновому уравнению Шрёдингера до момента открытия коробки эта система — электрон, коробка и сам кот — описывается комбинацией двух вариантов: кот мёртв и жив одновременно. 

Но в реальности при проверке мы всегда встречаем либо живого, либо мёртвого кота — никогда «и то и другое». Чтобы объяснить это, в копенгагенской (стандартной) интерпретации квантовой теории вводят понятие коллапса волновой функции: как только мы заглядываем в коробку (то есть проводим измерение), сумма всех вероятных вариантов мгновенно «схлопывается» к одному — кот жив либо мёртв. Именно этот переход от многовариантности к единственному результату и назвали схлопыванием или коллапсом волновой функции. 

Эксперимент с котом Шрёдингера бросает вызов представлению о том, что всё вокруг устроено классически. Он показывает, что строгая квантовая логика уравнения Шрёдингера даёт на уровне макромира абсурдные вещи, но нам нечётко известно, как именно и почему происходит этот загадочный коллапс при встрече квантовой системы с прибором — или в нашем случае с глазами наблюдателя.

<<Сноска | Олимпиады по физике: как выбрать и подготовиться | https://externat.foxford.ru/polezno-znat/olympiads-physics>>

Что такое параллельная Вселенная

Представьте, что уравнение Шрёдингера — это непреложный закон, который управляет всем, что происходит с квантовыми объектами. Оно описывает волновую функцию, то есть не просто один реальный вариант, а одновременно все возможные варианты развития событий. Когда вы смотрите на результат измерения, кажется, будто волновая функция схлопнулась: из множества возможностей осталась только одна. Допустим, вы всё же открываете коробку с котом, и тогда Вселенная делится на две ветви: в одной вы видите живого кота, в другой — мёртвого. Каждая такая ветвь продолжает развиваться. А дальше ветвлений становится бесчисленное множество — и вот вам целая система параллельных миров, где реализуются все возможные исходы квантовых событий. 

Это многомировая интерпретация квантовой механики: каждое возможное развитие событий реализуется, но в собственном мире. Когда квантовый прибор (или вы сами) взаимодействует с системой, они входят в состояние запутанности. По уравнению Шрёдингера это состояние эволюционирует дальше как сумма разных ветвей: в одной ветке прибор показывает «спин вверх», в другой — «спин вниз», и вы одновременно «расщепляетесь» на две версии, которые видят только свой результат. Каждая из этих версий уверена, что её реальность — это и есть весь мир. Другие же версии для неё недоступны, то есть находятся в параллельных вселенных.

<<Сноска | Олимпиады по физике: как выбрать и подготовиться | https://externat.foxford.ru/polezno-znat/olympiads-physics>>

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер вовсе не похож на привычный нам компьютер — это не устройство с процессором и операционной системой, а специальная квантовая система, в которой «вычисление» происходит через эволюцию волновой функции. Представьте, что вы наблюдаете не бит, равный нулю или единице, а кубит — он может одновременно находиться и в состоянии нуля, и в состоянии единицы, пока вы его не измерили. Или вспомните монету в полёте: пока она вращается, вы не знаете, выпадет ли орёл или решка, она как будто и то и другое сразу. Так же и кубит «зависает» в двух состояниях одновременно — в суперпозиции. 

Когда у вас оказывается несколько таких кубитов, их состояния перемешиваются и «запутываются» друг с другом — это означает, что вы больше не можете описывать каждый кубит отдельно. Вместе они образуют единую волновую функцию, в которой находятся сразу все возможные комбинации их битовых значений. На практике это даёт возможность задать вычислительный процесс так, чтобы нужный вам ответ постепенно «усиливался», а все другие варианты — «гасились». Так при финальном измерении с высокой вероятностью вы получите именно то, что искали.