- Preklad
Podľa Owena Maroneyho, fyzika z Oxfordskej univerzity, od objavenia sa kvantovej teórie v 20. storočí všetci hovorili o zvláštnosti tejto teórie. Ako umožňuje časticiam a atómom pohybovať sa vo viacerých smeroch naraz alebo otáčať v smere a proti smeru hodinových ručičiek súčasne. Ale slová nemôžu nič dokázať. "Ak povieme verejnosti, že kvantová teória je veľmi zvláštna, musíme toto tvrdenie otestovať experimentálne," hovorí Maroney. "Inak nerobíme vedu, ale hovoríme o najrôznejších čmáraniach na tabuli."
To vnuklo Maroneymu a jeho kolegom nápad vyvinúť novú sériu experimentov na odhalenie podstaty vlnovej funkcie – tajomnej entity, ktorá je základom kvantových zvláštností. Na papieri je vlnová funkcia jednoducho matematický objekt označený písmenom psi (Ψ) (jedna z týchto vlniek) a používa sa na opis kvantového správania častíc. V závislosti od experimentu umožňuje vlnová funkcia vedcom vypočítať pravdepodobnosť, že uvidia elektrón na určitom mieste, alebo pravdepodobnosť, že jeho spin je orientovaný nahor alebo nadol. Ale matematika vám nepovie, čo vlnová funkcia vlastne je. Je to niečo fyzické? Alebo len výpočtový nástroj na vysporiadanie sa s nevedomosťou pozorovateľa o reálnom svete?
Testy použité na zodpovedanie otázky sú veľmi jemné a ešte musia priniesť definitívnu odpoveď. Výskumníci sú však optimistickí, že koniec je blízko. A konečne budú môcť odpovedať na otázky, ktoré všetkých trápili desiatky rokov. Môže byť častica skutočne na mnohých miestach súčasne? Je vesmír neustále rozdelený na paralelné svety, z ktorých každý obsahuje našu alternatívnu verziu? Existuje vôbec niečo, čo sa nazýva „objektívna realita“?
„Takéto otázky má každý skôr či neskôr,“ hovorí Alessandro Fedricci, fyzik z University of Queensland (Austrália). "Čo je vlastne skutočné?"
Spory o podstatu reality začali, keď fyzici zistili, že vlna a častica sú len dve strany tej istej mince. Klasickým príkladom je experiment s dvojitou štrbinou, kde sú jednotlivé elektróny vystreľované do bariéry, ktorá má dve štrbiny: elektrón sa správa, ako keby prechádzal cez dve štrbiny súčasne, pričom na druhej strane vytvára pruhovaný interferenčný obrazec. V roku 1926 prišiel rakúsky fyzik Erwin Schrödinger s vlnovou funkciou na opis tohto správania a odvodil rovnicu, ktorá sa dala vypočítať pre každú situáciu. Ale ani on, ani nikto iný nevedel povedať nič o povahe tejto funkcie.
Milosť v nevedomosti
Z praktického hľadiska nie je dôležitá jeho povaha. Kodanská interpretácia kvantovej teórie, ktorú vytvorili v 20. rokoch 20. storočia Niels Bohr a Werner Heisenberg, využíva vlnovú funkciu jednoducho ako nástroj na predpovedanie výsledkov pozorovaní bez toho, aby sme museli premýšľať o tom, čo sa deje v skutočnosti. „Nemôžete viniť fyzikov za toto správanie „drž hubu a počítajte“, pretože to viedlo k významným prelomom v jadrovej, atómovej fyzike, fyzike pevných látok a častíc,“ hovorí Jean Bricmont, štatistický fyzik z Katolíckej univerzity v Belgicku. . "Takže ľuďom sa odporúča, aby sa nestarali o základné otázky."
Niektorí sa však stále obávajú. V tridsiatych rokoch 20. storočia Einstein odmietol kodanskú interpretáciu, v neposlednom rade preto, že umožňovala dvom časticiam prepojiť svoje vlnové funkcie, čo viedlo k situácii, v ktorej merania jednej mohli okamžite určiť stav druhej, aj keď boli oddelené obrovskými vzdialenosťami. vzdialenosti. Aby sa Einstein nezmieril s touto „desivou interakciou na diaľku“, radšej veril, že vlnové funkcie častíc sú neúplné. Povedal, že je možné, že častice majú nejaké skryté premenné, ktoré určujú výsledok merania, ktoré si kvantová teória nevšimla.
Experimenty odvtedy preukázali funkčnosť strašnej interakcie na diaľku, ktorá odmieta koncept skrytých premenných. ale to nebránilo iným fyzikom interpretovať ich vlastným spôsobom. Tieto interpretácie sa delia na dva tábory. Niektorí súhlasia s Einsteinom, že vlnová funkcia odráža našu nevedomosť. To sú to, čo filozofi nazývajú psi-epistemické modely. A iní vidia vlnovú funkciu ako skutočnú vec – psi-ontické modely.
Aby sme pochopili rozdiel, predstavme si Schrödingerov myšlienkový experiment, ktorý opísal v roku 1935 v liste Einsteinovi. Mačka je v oceľovej krabici. Škatuľa obsahuje vzorku rádioaktívneho materiálu, ktorý má 50% šancu na uvoľnenie produktu rozkladu do jednej hodiny, a stroj, ktorý otrávi mačku, ak sa tento produkt zistí. Keďže rádioaktívny rozpad je udalosť na kvantovej úrovni, píše Schrödinger, pravidlá kvantovej teórie hovoria, že na konci hodiny musí byť vlnová funkcia vo vnútri krabice zmesou mŕtvej a živej mačky.
"Zhruba povedané," hovorí to mierne Fedricci, "v psi-epistemickom modeli je mačka v krabici buď živá alebo mŕtva, a my to jednoducho nevieme, pretože krabica je zatvorená." A vo väčšine psionických modelov existuje zhoda s kodanskou interpretáciou: kým pozorovateľ neotvorí krabicu, mačka bude živá aj mŕtva.
Tu sa však spor dostáva do slepej uličky. Ktorý výklad je pravdivý? Na túto otázku je ťažké experimentálne odpovedať, pretože rozdiely medzi modelmi sú veľmi jemné. V podstate sa predpokladá, že predpovedajú rovnaký kvantový jav ako veľmi úspešná kodanská interpretácia. Andrew White, fyzik z Queenslandskej univerzity, hovorí, že počas jeho 20-ročnej kariéry v kvantovej technológii „bol tento problém ako obrovská hladká hora bez ríms, ku ktorým ste sa nemohli priblížiť“.
Všetko sa zmenilo v roku 2011, keď bol publikovaný teorém kvantového merania, ktorý akoby eliminoval prístup „vlnová funkcia ako ignorancia“. Ale pri bližšom skúmaní sa ukázalo, že táto veta ponecháva dostatočný priestor na ich manévrovanie. Fyzikov to však inšpirovalo, aby sa vážne zamysleli nad spôsobmi, ako vyriešiť spor testovaním reality vlnovej funkcie. Maroney už navrhol experiment, ktorý v princípe fungoval, a on a jeho kolegovia čoskoro našli spôsob, ako to urobiť v praxi. Experiment uskutočnili minulý rok Fedrici, White a ďalší.
Aby ste pochopili myšlienku testu, predstavte si dva balíčky kariet. Jeden má len červené, druhý len esá. „Dostanete kartu a požiadajú vás, aby ste určili, z ktorého balíčka pochádza,“ hovorí Martin Ringbauer, fyzik na tej istej univerzite. Ak je to červené eso, "príde k prekríženiu a nedá sa to s istotou povedať." Ale ak viete, koľko kariet je v každom balíčku, môžete si vypočítať, ako často táto nejednoznačná situácia nastane.
Fyzika v ohrození
Rovnaká nejednoznačnosť sa vyskytuje v kvantových systémoch. Nie vždy sa dá jedným meraním napríklad zistiť, ako je fotón polarizovaný. "V reálnom živote je ľahké rozlíšiť medzi západom a smerom na juh od západu, ale v kvantových systémoch to nie je také jednoduché," hovorí White. Podľa štandardnej kodanskej interpretácie nemá zmysel pýtať sa na polarizáciu, pretože otázka nemá odpoveď – kým ešte jedno meranie presne neurčí odpoveď. Ale podľa modelu wavefunction-as-ignorance má otázka zmysel – je to len o tom, že experimentu, podobne ako tomu s balíčkami kariet, chýbajú informácie. Podobne ako pri mapách je možné predpovedať, koľko nejednoznačných situácií možno vysvetliť takouto neznalosťou a porovnať ich s veľkým počtom nejednoznačných situácií, ktoré rieši štandardná teória.
Presne toto testoval Fedrici a jeho tím. Tím meral polarizáciu a ďalšie vlastnosti vo fotónovom lúči a našiel úrovne priesečníkov, ktoré nebolo možné vysvetliť modelmi „nevedomosti“. Výsledok podporuje alternatívnu teóriu – ak existuje objektívna realita, potom existuje vlnová funkcia. „Je pôsobivé, že tím dokázal vyriešiť taký zložitý problém s takým jednoduchým experimentom,“ hovorí Andrea Alberti, fyzik z Bonnskej univerzity v Nemecku.
Záver ešte nie je vytesaný do kameňa: keďže detektory zachytili len pätinu fotónov použitých v teste, musíme predpokladať, že stratené fotóny sa správali rovnako. Toto je silný predpoklad a tím teraz pracuje na znížení strát a dosiahnutí definitívnejšieho výsledku. Medzitým Maroneyho tím v Oxforde spolupracuje s University of New South Wales v Austrálii na replikácii experimentu s iónmi, ktoré sa dajú ľahšie sledovať. "V nasledujúcich šiestich mesiacoch budeme mať presvedčivú verziu tohto experimentu," hovorí Maroney.
Ale aj keď budú úspešné a vyhrajú modely „vlna funguje ako realita“, aj tieto modely majú rôzne možnosti. Experimentátori si budú musieť vybrať jednu z nich.
Jednu z prvých interpretácií vytvoril v 20. rokoch 20. storočia Francúz Louis de Broglie a v 50. rokoch ju rozšíril Američan David Bohm. Podľa modelov Broglie-Bohm majú častice špecifické umiestnenie a vlastnosti, ale sú poháňané určitou „pilotnou vlnou“, ktorá je definovaná ako vlnová funkcia. To vysvetľuje experiment s dvoma štrbinami, pretože pilotná vlna môže prechádzať oboma štrbinami a vytvárať interferenčný vzor, hoci samotný elektrón, ktorý je ňou priťahovaný, prechádza iba jednou z dvoch štrbín.
V roku 2005 tento model získal nečakanú podporu. Fyzici Emmanuel Fort, teraz na Langevinovom inštitúte v Paríži, a Yves Caudier z parížskej Diderot University dali študentom to, čo považovali za jednoduchý problém: pripravili experiment, v ktorom by sa kvapky oleja padajúce na tácku spojili v dôsledku vibrácií podnos. Na prekvapenie všetkých sa okolo kvapiek začali vytvárať vlny, keď tácka vibrovala s určitou frekvenciou. "Kvapky sa začali pohybovať nezávisle na svojich vlastných vlnách," hovorí Fort. "Bol to duálny objekt - častica ťahaná vlnou."
Forth a Caudier odvtedy ukázali, že takéto vlny môžu viesť svoje častice v experimente s dvojitou štrbinou presne tak, ako predpovedá teória pilotných vĺn, a môžu reprodukovať ďalšie kvantové efekty. To však nedokazuje existenciu pilotných vĺn v kvantovom svete. "Bolo nám povedané, že takéto efekty sú v klasickej fyzike nemožné," hovorí Fort. "A tu sme ukázali, čo je možné."
Ďalší súbor modelov založených na realite, vyvinutý v 80. rokoch, sa pokúša vysvetliť obrovské rozdiely vo vlastnostiach medzi veľkými a malými objektmi. „Prečo môžu byť elektróny a atómy na dvoch miestach naraz, ale stoly, stoličky, ľudia a mačky nie,“ hovorí Angelo Basi, fyzik na univerzite v Terste (Taliansko). Tieto teórie, známe ako „modely kolapsu“, hovoria, že vlnové funkcie jednotlivých častíc sú skutočné, ale môžu stratiť svoje kvantové vlastnosti a prinútiť časticu do špecifickej polohy v priestore. Modely sú navrhnuté tak, že šance na takýto kolaps sú pre individuálnu časticu extrémne malé, takže na atómovej úrovni dominujú kvantové efekty. Pravdepodobnosť kolapsu sa však rýchlo zvyšuje, keď sa častice spájajú a makroskopické objekty úplne strácajú svoje kvantové vlastnosti a správajú sa podľa zákonov klasickej fyziky.
Jedným zo spôsobov, ako to otestovať, je hľadať kvantové efekty vo veľkých objektoch. Ak je štandardná kvantová teória správna, potom neexistuje žiadne obmedzenie veľkosti. A fyzici už uskutočnili dvojštrbinový experiment s použitím veľkých molekúl. Ale ak sú modely kolapsu správne, potom kvantové efekty nebudú viditeľné nad určitou hmotnosťou. Rôzne skupiny plánujú hľadať túto hmotu pomocou studených atómov, molekúl, kovových zhlukov a nanočastíc. Dúfajú, že výsledky objavia v nasledujúcich desiatich rokoch. „Na týchto experimentoch je skvelé, že kvantovú teóriu podrobíme prísnym testom tam, kde ešte nebola testovaná,“ hovorí Maroney.
Paralelné svety
Jeden model „funkcie vlny ako reality“ už poznajú a milujú spisovatelia sci-fi. Toto je interpretácia mnohých svetov, ktorú v 50. rokoch minulého storočia vyvinul Hugh Everett, ktorý bol v tom čase študentom Princetonskej univerzity v New Jersey. V tomto modeli vlnová funkcia tak silne určuje vývoj reality, že pri každom kvantovom meraní sa vesmír rozdeľuje na paralelné svety. Inými slovami, keď otvoríme krabicu s mačkou, zrodíme dva vesmíry – jeden s mŕtvou mačkou a druhý so živou mačkou.Je ťažké oddeliť túto interpretáciu od štandardnej kvantovej teórie, pretože ich predpovede sú rovnaké. Minulý rok však Howard Wiseman z Griffith University v Brisbane a jeho kolegovia navrhli testovateľný model multivesmíru. V ich modeli nie je žiadna vlnová funkcia - častice sa riadia klasickou fyzikou, Newtonovými zákonmi. A zvláštne efekty kvantového sveta sa objavujú, pretože medzi časticami a ich klonmi v paralelných vesmíroch existujú odpudivé sily. „Odpudivá sila medzi nimi vytvára vlny, ktoré sa šíria po paralelných svetoch,“ hovorí Wiseman.
Pomocou počítačovej simulácie, v ktorej interagovalo 41 vesmírov, ukázali, že model zhruba reprodukuje niekoľko kvantových efektov, vrátane trajektórií častíc v experimente s dvojitou štrbinou. So zvyšujúcim sa počtom svetov sa interferenčný vzor približuje k skutočnému. Keďže predpovede teórie sa líšia v závislosti od počtu svetov, hovorí Wiseman, je možné otestovať, či je multivesmírny model správny – to znamená, že neexistuje žiadna vlnová funkcia a že realita funguje podľa klasických zákonov.
Keďže vlnová funkcia nie je v tomto modeli potrebná, zostane životaschopná, aj keď budúce experimenty vylúčia modely „nevedomosti“. Okrem nej prežijú aj iné modely, napríklad Kodanská interpretácia, ktorá tvrdí, že neexistuje objektívna realita, ale iba výpočty.
Ale potom, hovorí White, sa táto otázka stane predmetom štúdia. A hoci zatiaľ nikto nevie, ako to urobiť, „čo by bolo naozaj zaujímavé, je vyvinúť test, ktorý otestuje, či vôbec máme objektívnu realitu“.
Veda
Kvantová fyzika sa zaoberá štúdiom správania sa najmenších vecí v našom vesmíre: subatomárnych častíc. Ide o relatívne novú vedu, ktorá sa ňou stala až začiatkom 20. storočia po tom, čo sa fyzici začali zaujímať o otázku, prečo nedokážu vysvetliť niektoré účinky žiarenia. Jeden z inovátorov tej doby, Max Planck, použil termín „kvanta“ pri štúdiu malých častíc s energiou, odtiaľ názov „kvantová fyzika“. Planck poznamenal, že množstvo energie obsiahnuté v elektrónoch nie je ľubovoľné, ale zodpovedá štandardom „kvantovej“ energie. Jedným z prvých výsledkov praktickej aplikácie týchto poznatkov bol vynález tranzistora.
Na rozdiel od pevných zákonov štandardnej fyziky je možné pravidlá kvantovej fyziky porušiť. Práve vtedy, keď si vedci myslia, že majú do činenia s aspektom štúdia hmoty a energie, objaví sa nový zvrat udalostí, ktorý im pripomína, aká nepredvídateľná môže byť práca v tejto oblasti. Aj keď však úplne nerozumejú tomu, čo sa deje, môžu výsledky svojej práce využiť na rozvoj nové technológie, ktoré sa niekedy nedajú nazvať nič menej ako fantastické.
V budúcnosti by kvantová mechanika mohla pomôcť zachovať vojenské tajomstvá, ako aj poskytnúť bezpečnosť a chrániť váš bankový účet pred kybernetickými zlodejmi. Vedci teraz pracujú na kvantových počítačoch, ktorých možnosti ďaleko presahujú možnosti bežného PC. Rozdelené na subatomárne častice, predmety sa dajú jednoducho presúvať z jedného miesta na druhé mihnutím oka. A možno bude kvantová fyzika schopná odpovedať na najzaujímavejšiu otázku týkajúcu sa toho, z čoho sa skladá vesmír a ako vznikol život.
Nižšie sú uvedené fakty o tom, ako môže kvantová fyzika zmeniť svet. Ako povedal Niels Bohr: "Každý, kto nie je šokovaný kvantovou mechanikou, jednoducho ešte nepochopil, ako to funguje."
Kontrola turbulencií
Čoskoro sa možno vďaka kvantovej fyzike podarí eliminovať turbulentné zóny, ktoré spôsobujú rozliatie šťavy v lietadle. Vytvorením kvantovej turbulencie v ultra-studených atómoch plynu v laboratóriu môžu brazílski vedci pochopiť turbulencie, ktoré zažívajú lietadlá a lode. Turbulencie po stáročia zmiatli vedcov kvôli ťažkostiam pri ich reprodukcii v laboratóriu.
Turbulencie spôsobujú zhluky plynu alebo kvapaliny, ale v prírode sa zdá, že vznikajú náhodne a vznikajú neočakávane. Hoci sa turbulentné zóny môžu vytvárať vo vode a vo vzduchu, vedci zistili, že sa môžu vytvárať aj v ultrachladných atómoch plynu alebo v supratekutom héliu. Štúdiom tohto javu v kontrolovaných laboratórnych podmienkach budú vedci jedného dňa schopní presne predpovedať, kde sa budú vyskytovať turbulentné zóny, a možno ich aj kontrolovať v prírode.
Spintronika
Nový magnetický polovodič vyvinutý na MIT by mohol v budúcnosti viesť k ešte rýchlejším a energeticky účinným elektronickým zariadeniam. Táto technológia, nazývaná "spintronika", využíva stav spinu elektrónov na prenos a ukladanie informácií. Zatiaľ čo konvenčné elektronické obvody využívajú iba stav nabitia elektrónu, spintronika využíva smer rotácie elektrónu.
Spracovanie informácií pomocou spintronických obvodov umožní akumuláciu údajov z dvoch smerov súčasne, čo tiež zníži veľkosť elektronických obvodov. Tento nový materiál zavádza elektrón do polovodiča na základe jeho spinovej orientácie. Elektróny prechádzajú cez polovodič a sú pripravené na spinové detektory na výstupnej strane. Vedci tvrdia, že nové polovodiče môžu fungovať pri izbovej teplote a sú opticky priehľadné, čo znamená, že môžu pracovať s dotykovými obrazovkami a solárnymi panelmi. Tiež veria, že to pomôže vynálezcom prísť s ešte funkčnejšími zariadeniami.
Paralelné svety
Premýšľali ste niekedy nad tým, aký by bol náš život, keby sme mali možnosť cestovať v čase? Zabili by ste Hitlera? Alebo by ste sa pridali k rímskym légiám, aby ste videli staroveký svet? Avšak zatiaľ čo všetci fantazírujeme o tom, čo by sme urobili, keby sme sa mohli vrátiť v čase, vedci z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare už razia cestu k obnoveniu krívd z minulých rokov.
V experimente z roku 2010 vedci dokázali, že objekt môže súčasne existovať v dvoch rôznych svetoch. Izolovali maličký kúsok kovu a za špeciálnych podmienok zistili, že sa pohybuje a zároveň stojí na mieste. Niekto však môže toto pozorovanie považovať za delírium spôsobené prepracovaním, no fyzici tvrdia, že pozorovania objektu skutočne ukazujú, že sa vo vesmíre rozpadá na dve časti – jednu z nich vidíme a druhú nie. Teórie paralelných svetov jednomyseľne hovoria, že úplne akýkoľvek objekt sa rozpadne.
Teraz sa vedci snažia prísť na to, ako „preskočiť“ moment kolapsu a vstúpiť do sveta, ktorý nevidíme. Toto cestovanie do paralelných vesmírov v čase by teoreticky malo fungovať, keďže kvantové častice sa pohybujú v čase dopredu aj dozadu. Teraz všetko, čo vedci musia urobiť, je postaviť stroj času pomocou kvantových častíc.
Kvantové bodky
Čoskoro budú kvantoví fyzici schopní pomôcť lekárom odhaliť rakovinové bunky v tele a určiť, kde sa rozšírili. Vedci zistili, že niektoré malé polovodičové kryštály, nazývané kvantové bodky, môžu žiariť, keď sú vystavené ultrafialovému svetlu, a boli tiež odfotografované pomocou špeciálneho mikroskopu. Potom boli kombinované so špeciálnym materiálom, ktorý bol „atraktívny“ pre rakovinové bunky. Keď vstúpili do tela, žiariace kvantové bodky boli priťahované k rakovinovým bunkám, čím lekári presne ukázali, kam sa majú pozerať. Žiara pokračuje pomerne dlho a pre vedcov je proces prispôsobenia bodov charakteristikám konkrétneho typu rakoviny pomerne jednoduchý.
Zatiaľ čo špičková veda je určite zodpovedná za mnohé pokroky v medicíne, ľudia boli po stáročia závislí na mnohých iných spôsoboch boja proti chorobám.
Modlitba
Je ťažké si predstaviť, čo môžu mať spoločné domorodý Američan, šamanský liečiteľ a priekopníci kvantovej fyziky. Stále je však medzi nimi niečo spoločné. Niels Bohr, jeden z prvých objaviteľov tejto podivnej oblasti vedy, veril, že veľa z toho, čo nazývame realitou, závisí od „efektu pozorovateľa“, teda vzťahu medzi tým, čo sa deje, a tým, ako to vidíme. Táto téma vyvolala medzi kvantovými fyzikmi vážne diskusie, avšak experiment, ktorý Bohr uskutočnil pred viac ako polstoročím, jeho predpoklad potvrdil.
To všetko znamená, že naše vedomie ovplyvňuje realitu a môže ju meniť. Opakované slová modlitby a rituály obradu šamana-liečiteľa môžu byť pokusmi zmeniť smer „vlny“, ktorá vytvára realitu. Väčšina obradov sa tiež vykonáva v prítomnosti početných pozorovateľov, čo naznačuje, že čím viac „liečivých vĺn“ vychádza z pozorovateľov, tým silnejší je ich vplyv na realitu.
Objektový vzťah
Prepojenie objektov by mohlo mať obrovský vplyv na slnečnú energiu v budúcnosti. Vzájomné prepojenie objektov implikuje kvantovú vzájomnú závislosť atómov oddelených v reálnom fyzickom priestore. Fyzici sa domnievajú, že tento vzťah sa môže vytvoriť v časti rastlín zodpovednej za fotosyntézu alebo premenu svetla na energiu. Štruktúry zodpovedné za fotosyntézu, chromofóry, dokážu premeniť 95 percent prijatého svetla na energiu.
Vedci teraz študujú, ako by toto spojenie na kvantovej úrovni mohlo ovplyvniť tvorbu slnečnej energie v nádeji, že vytvoria efektívne prírodné solárne články. Odborníci tiež zistili, že riasy dokážu pomocou určitej kvantovej mechaniky premiestňovať energiu prijatú zo svetla a tiež ju ukladať na dvoch miestach súčasne.
Kvantové počítanie
Ďalší nemenej dôležitý aspekt kvantovej fyziky možno uplatniť v počítačovej oblasti, kde špeciálny typ supravodivého prvku dáva počítaču nevídanú rýchlosť a výkon. Vedci vysvetľujú, že prvok sa správa ako umelé atómy v tom, že energiu môžu buď získať alebo stratiť pohybom medzi jednotlivými energetickými úrovňami. Najzložitejší atóm v štruktúre má päť energetických úrovní. Tento komplexný systém („qudit“) ponúka významné výhody oproti fungovaniu predchádzajúcich atómov, ktoré mali iba dve energetické úrovne („qubit“). Qudits a qubits sú súčasťou bitov používaných v štandardných počítačoch. Kvantové počítače budú pri svojej práci využívať princípy kvantovej mechaniky, čo im umožní vykonávať výpočty oveľa rýchlejšie a presnejšie ako tradičné počítače.
Je tu však problém, ktorý by mohol nastať, ak by sa kvantové výpočty stali realitou – kryptografia alebo kódovanie informácií.
Kvantová kryptografia
Všetko od čísla vašej kreditnej karty až po prísne tajné vojenské stratégie je dostupné na internete a skúsený hacker s dostatočnými znalosťami a výkonným počítačom môže vyčerpať váš bankový účet alebo ohroziť bezpečnosť sveta. Špeciálne kódovanie udržuje tieto informácie v tajnosti a počítačoví vedci neustále pracujú na vytváraní nových, bezpečnejších metód kódovania.
Kódovanie informácie v rámci jednej častice svetla (fotónu) bolo dlho cieľom kvantovej kryptografie. Zdalo sa, že vedci z University of Toronto boli už veľmi blízko k vytvoreniu tejto metódy, keďže sa im podarilo video zakódovať. Šifrovanie zahŕňa reťazce núl a jednotiek, čo je „kľúč“. Pridaním kľúča sa informácie zakódujú, opätovným pridaním sa dekódujú. Ak sa cudzincovi podarí získať kľúč, informácie môžu byť hacknuté. Ale aj keď sa kľúče používajú na kvantovej úrovni, samotná skutočnosť ich použitia bude určite znamenať prítomnosť hackera.
Teleportácia
Toto je sci-fi, nič viac. Uskutočnilo sa to však nie s ľudskou účasťou, ale za účasti veľkých molekúl. Ale tu je problém. Každá molekula v ľudskom tele musí byť skenovaná z oboch strán. To sa však v blízkej budúcnosti pravdepodobne nestane. Je tu ďalší problém: akonáhle naskenujete časticu, podľa zákonov kvantovej fyziky ju zmeníte, to znamená, že nemáte ako vytvoriť jej presnú kópiu.
Tu prichádza na rad vzájomné prepojenie predmetov. Spája dva objekty, ako keby boli jedným. Naskenujeme jednu polovicu častice a teleportovanú kópiu vytvorí druhá polovica. Bude to presná kópia, keďže sme nemerali samotnú časticu, merali sme jej dvojnásobok. To znamená, že častica, ktorú sme namerali, bude zničená, ale jej presná kópia bude oživená jej dvojníkom.
Božie častice
Vedci používajú svoj veľmi veľký výtvor - Veľký hadrónový urýchľovač - na štúdium niečoho extrémne malého, ale veľmi dôležitého - základných častíc, o ktorých sa predpokladá, že sú základom pôvodu nášho vesmíru.
Božie častice sú podľa vedcov to, čo dáva hmotnosť elementárnym časticiam (elektróny, kvarky a gluóny). Odborníci sa domnievajú, že častice Boha musia preniknúť do celého priestoru, ale existencia týchto častíc zatiaľ nebola dokázaná.
Nájdenie týchto častíc by pomohlo fyzikom pochopiť, ako sa vesmír zotavil z Veľkého tresku a stal sa tým, čo o ňom dnes vieme. Pomohlo by to tiež vysvetliť, ako sa hmota vyrovnáva s antihmotou. Stručne povedané, izolácia týchto častíc pomôže vysvetliť všetko.
Dobrý deň milí čitatelia. Ak nechcete zaostávať za životom, byť skutočne šťastným a zdravým človekom, mali by ste poznať tajomstvá kvantovej modernej fyziky a mať aspoň malú predstavu o hlbinách vesmíru, do ktorých sa vedci prekopali. dnes. Nemáte čas zachádzať do hlbokých vedeckých detailov, ale chcete pochopiť iba podstatu, ale vidieť krásu neznámeho sveta, potom je tento článok: kvantová fyzika pre obyčajné figuríny, alebo možno povedať pre ženy v domácnosti, práve pre vy. Pokúsim sa vysvetliť, čo je kvantová fyzika, ale jednoduchými slovami, aby som to názorne ukázal.
"Aké je spojenie medzi šťastím, zdravím a kvantovou fyzikou?" Pýtate sa.
Faktom je, že pomáha zodpovedať mnohé nejasné otázky súvisiace s ľudským vedomím a vplyvom vedomia na telo. Žiaľ, medicína založená na klasickej fyzike nám nie vždy pomáha byť zdravými. Ale psychológia nedokáže správne povedať, ako nájsť šťastie.
Len hlbšie poznanie sveta nám pomôže pochopiť, ako sa skutočne vyrovnať s chorobou a kde žije šťastie. Toto poznanie sa nachádza v hlbokých vrstvách vesmíru. Na pomoc nám prichádza kvantová fyzika. Čoskoro sa všetko dozviete.
Čo študuje kvantová fyzika jednoduchými slovami
Áno, kvantová fyzika je skutočne veľmi ťažko pochopiteľná, pretože študuje zákonitosti mikrosveta. To znamená, že svet je vo svojich hlbších vrstvách, na veľmi krátke vzdialenosti, kde je pre človeka veľmi ťažké vidieť.
A svet sa tam, ukazuje sa, správa veľmi zvláštne, tajomne a nepochopiteľne, nie tak, ako sme zvyknutí.
Preto všetka zložitosť a nepochopenie kvantovej fyziky.
Po prečítaní tohto článku si ale rozšírite obzory svojich vedomostí a pozriete sa na svet úplne inak.
Stručná história kvantovej fyziky
Všetko sa to začalo na začiatku 20. storočia, keď newtonovská fyzika nevedela veľa vecí vysvetliť a vedci sa dostali do slepej uličky. Potom Max Planck predstavil koncept kvanta. Albert Einstein zachytil túto myšlienku a dokázal, že svetlo sa nešíri nepretržite, ale po častiach - kvantách (fotónoch). Predtým sa verilo, že svetlo má vlnovú povahu.
Ale ako sa neskôr ukázalo, akákoľvek elementárna častica nie je len kvantum, teda pevná častica, ale aj vlna. Tak sa v kvantovej fyzike objavil vlnovo-časticový dualizmus, prvý paradox a začiatok objavov záhadných javov mikrosveta.
Najzaujímavejšie paradoxy sa začali, keď sa uskutočnil slávny experiment s dvojitou štrbinou, po ktorom bolo záhad oveľa viac. Dá sa povedať, že s ním začala kvantová fyzika. Pozrime sa na to.
Dvojštrbinový experiment v kvantovej fyzike
Predstavte si tanier s dvoma štrbinami vo forme zvislých pruhov. Za túto platňu umiestnime zástenu. Ak na platňu posvietime svetlom, na obrazovke uvidíme interferenčný obrazec. Teda striedanie tmavých a jasných vertikálnych pruhov. Interferencia je výsledkom vlnového správania niečoho, v našom prípade svetla.
Ak prejdete vlnou vody cez dva otvory umiestnené vedľa seba, pochopíte, čo je rušenie. To znamená, že svetlo má vlnový charakter. Ale ako dokázala fyzika, či skôr Einstein, šíria sa fotónovými časticami. Už paradox. Ale to je v poriadku, dualita vĺn a častíc nás už neprekvapí. Kvantová fyzika nám hovorí, že svetlo sa správa ako vlna, ale pozostáva z fotónov. Ale zázraky sa len začínajú.
Položme pištoľ pred tanier s dvoma štrbinami, ktoré budú vyžarovať elektróny a nie svetlo. Začnime strieľať elektróny. Čo uvidíme na obrazovke za tanierom?
Elektróny sú častice, čo znamená, že tok elektrónov prechádzajúci cez dve štrbiny by mal na obrazovke zanechať iba dva pruhy, dve stopy oproti štrbinám. Predstavte si, že kamienky prelietavajú cez dve štrbiny a dopadajú na obrazovku?
Ale čo vlastne vidíme? Rovnaký interferenčný vzor. Aký je záver: elektróny sa pohybujú vo vlnách. Takže elektróny sú vlny. Ale toto je elementárna častica. Opäť, vlnovo-časticový dualizmus vo fyzike.
Ale môžeme predpokladať, že na hlbšej úrovni je elektrón časticou a keď sa tieto častice spoja, začnú sa správať ako vlny. Napríklad morská vlna je vlna, ale pozostáva z kvapiek vody a na menšej úrovni molekúl a potom z atómov. Dobre, logika je pevná.
Potom strieľajme z pištole nie prúdom elektrónov, ale uvoľnime elektróny oddelene, po určitom čase. Akoby sme cez trhliny neprechádzali morskou vlnou, ale chrlili jednotlivé kvapky z detskej vodnej pištole.
Je celkom logické, že v tomto prípade by rôzne kvapky vody dopadali do rôznych trhlín. Na obrazovke za platňou by nebolo vidieť interferenčný obrazec z vlny, ale dva jasné pruhy z dopadu oproti každej štrbine. Uvidíme to isté: ak hodíte malé kamienky, tie, ktoré preletia cez dve štrbiny, zanechajú stopu ako tieň z dvoch otvorov. Poďme teraz strieľať jednotlivé elektróny, aby sme videli tieto dva pruhy na obrazovke z dopadov elektrónov. Pustili jednu, čakali, druhú, čakali a tak ďalej. Vedci z kvantovej fyziky dokázali urobiť takýto experiment.
Ale hrôza. Namiesto týchto dvoch pásiem sa získajú rovnaké interferenčné striedania niekoľkých pásiem. Ako to? To by sa mohlo stať, ak by elektrón letel cez dve štrbiny súčasne a za platňou by sa ako vlna zrazil sám so sebou a rušil by sa. Ale to sa nemôže stať, pretože častica nemôže byť na dvoch miestach súčasne. Buď preletí cez prvú medzeru, alebo cez druhú.
Tu sa začínajú skutočne fantastické veci kvantovej fyziky.
Superpozícia v kvantovej fyzike
Pri hlbšom rozbore vedci zistia, že akákoľvek elementárna kvantová častica alebo to isté svetlo (fotón) môže byť v skutočnosti na viacerých miestach súčasne. A to nie sú zázraky, ale skutočné fakty mikrosveta. Hovorí to kvantová fyzika. Preto, keď vystrelíme jedinú časticu z dela, vidíme výsledok rušenia. Za platňou sa elektrón zrazí sám so sebou a vytvorí interferenčný obrazec.
Objekty makrokozmu, ktoré sú nám spoločné, sú vždy na jednom mieste a majú jeden stav. Napríklad teraz sedíte na stoličke, vážite povedzme 50 kg a máte tep 60 úderov za minútu. Tieto hodnoty sa samozrejme zmenia, ale po určitom čase sa zmenia. Nemôžete byť predsa doma a zároveň v práci, vážiť 50 a 100 kg. To všetko je pochopiteľné, je to zdravý rozum.
Vo fyzike mikrosveta je všetko inak.
Kvantová mechanika tvrdí, a to už bolo experimentálne potvrdené, že ktorákoľvek elementárna častica môže byť súčasne nielen vo viacerých bodoch priestoru, ale môže mať aj niekoľko stavov súčasne, napríklad spin.
To všetko omieľa myseľ, podkopáva zaužívané chápanie sveta, staré fyzikálne zákony, prevracia myslenie hore nohami, dá sa pokojne povedať, že vás privádza do šialenstva.
Takto chápeme pojem „superpozícia“ v kvantovej mechanike.
Superpozícia znamená, že objekt mikrosveta môže byť súčasne v rôznych bodoch priestoru a tiež mať niekoľko stavov súčasne. A to je normálne pre elementárne častice. Toto je zákon mikrosveta, nech sa to zdá akokoľvek zvláštne a fantastické.
Ste prekvapení, ale toto sú len začiatky, tie najnevysvetliteľnejšie zázraky, záhady a paradoxy kvantovej fyziky ešte len prídu.
Zrútenie vlnovej funkcie vo fyzike jednoduchými slovami
Potom sa vedci rozhodli zistiť a presnejšie vidieť, či elektrón skutočne prechádza oboma štrbinami. Zrazu prechádza cez jednu štrbinu a potom sa akosi rozdelí a pri prechode cez ňu vytvorí interferenčný obrazec. No človek nikdy nevie. To znamená, že v blízkosti štrbiny musíte umiestniť nejaké zariadenie, ktoré by presne zaznamenalo prechod elektrónu cez ňu. Len čo sa povie, tak urobí. Samozrejme, je to ťažké urobiť, nepotrebujete zariadenie, ale niečo iné, aby ste videli prechod elektrónu. Vedci to však dokázali.
Výsledok však nakoniec všetkých ohromil.
Len čo sa začneme pozerať, cez ktorú štrbinu elektrón prechádza, začne sa správať nie ako vlna, nie ako zvláštna látka, ktorá sa súčasne nachádza v rôznych bodoch priestoru, ale ako obyčajná častica. To znamená, že kvantum začína vykazovať špecifické vlastnosti: nachádza sa len na jednom mieste, prechádza jednou štrbinou a má jednu hodnotu spinu. Nie je to interferenčný obrazec, ktorý sa objaví na obrazovke, ale jednoduchá stopa oproti štrbine.
Ale ako je to možné? Je to, ako keby elektrón žartoval a hral sa s nami. Najprv sa správa ako vlna a potom, keď sme sa rozhodli sledovať, ako prechádza štrbinou, vykazuje vlastnosti pevnej častice a prechádza len jednou štrbinou. Ale tak je to v mikrokozme. Toto sú zákony kvantovej fyziky.
Vedci videli ďalšiu záhadnú vlastnosť elementárnych častíc. Takto sa v kvantovej fyzike objavili koncepty neistoty a kolapsu vlnovej funkcie.
Keď elektrón letí do štrbiny, je v neurčitom stave alebo, ako sme povedali vyššie, v superpozícii. To znamená, že sa správa ako vlna, je súčasne v rôznych bodoch priestoru a má dve hodnoty rotácie naraz (spin má iba dve hodnoty). Keby sme sa ho nedotkli, nepokúšali sa naň pozrieť, nezistili, kde presne je, nezmerali hodnotu jeho spinu, preletel by ako vlna cez dve štrbiny súčasne čas, čo znamená, že by vytvoril interferenčný vzor. Kvantová fyzika popisuje jeho trajektóriu a parametre pomocou vlnovej funkcie.
Potom, čo urobíme meranie (a časticu mikrosveta môžete zmerať iba interakciou s ňou, napríklad zrážkou s inou časticou), potom nastáva kolaps vlnovej funkcie.
To znamená, že teraz sa elektrón nachádza presne na jednom mieste v priestore a má jednu hodnotu spinu.
Dá sa povedať, že elementárna častica je ako duch, zdá sa, že existuje, ale zároveň nie je na jednom mieste a môže s určitou pravdepodobnosťou skončiť na akomkoľvek mieste v rámci popisu vlnovej funkcie. Akonáhle ho však začneme kontaktovať, zmení sa z strašidelného objektu na skutočnú hmotnú hmotu, ktorá sa správa ako bežné predmety klasického sveta, ktoré sú nám známe.
"To je fantastické," hovoríte. Samozrejme, ale zázraky kvantovej fyziky sa len začínajú. To najneuveriteľnejšie ešte len príde. Poďme si však trochu oddýchnuť od množstva informácií a vráťme sa ku kvantovým dobrodružstvám inokedy, v inom článku. Medzitým sa zamyslite nad tým, čo ste sa dnes naučili. K čomu môžu viesť takéto zázraky? Veď nás obklopujú, to je vlastnosť nášho sveta, aj keď na hlbšej úrovni. Stále si myslíme, že žijeme v nudnom svete? Ale závery vyvodíme neskôr.
O základoch kvantovej fyziky som sa snažil rozprávať stručne a zrozumiteľne.
Ale ak niečomu nerozumiete, pozrite si túto karikatúru o kvantovej fyzike, o experimente s dvojitou štrbinou, všetko je tam tiež vysvetlené jasným a jednoduchým jazykom.
Karikatúra o kvantovej fyzike:
Alebo si môžete pozrieť toto video, všetko do seba zapadne, kvantová fyzika je veľmi zaujímavá.
Video o kvantovej fyzike:
A ako to, že si o tom predtým nevedel?
Moderné objavy v kvantovej fyzike menia náš známy materiálny svet.
Keď ľudia počujú slová „kvantová fyzika“, zvyčajne nad tým pokrčia plecami: „Je to niečo strašne zložité. Medzitým to absolútne nie je pravda a v slove „kvantový“ nie je absolútne nič strašidelné. Je tam veľa nepochopiteľných vecí, veľa zaujímavých vecí, ale nič strašidelné.
O poličkách, rebríkoch a Ivanovi Ivanovičovi
Všetky procesy, javy a veličiny vo svete okolo nás možno rozdeliť do dvoch skupín: nepretržité (vedecky). kontinuum ) a nespojité (vedecky diskrétne resp kvantované ).
Predstavte si stôl, na ktorý môžete položiť knihu. Knihu môžete položiť kdekoľvek na stole. Pravá, ľavá, stredná... Kde len chcete, dajte si to tam. V tomto prípade fyzici hovoria, že pozícia knihy na stole sa mení nepretržite .
Teraz si predstavte police na knihy. Knihu môžete dať na prvú poličku, na druhú, tretiu alebo štvrtú – ale nemôžete dať knihu „niekam medzi tretiu a štvrtú“. V tomto prípade sa pozícia knihy zmení prerušovane , diskrétne , kvantované (všetky tieto slová znamenajú to isté).
Svet okolo nás je plný spojitých a kvantovaných veličín. Tu sú dve dievčatá - Katya a Masha. Ich výška je 135 a 136 centimetrov. Aká je to veľkosť? Výška sa plynule mení, môže to byť 135 a pol centimetra alebo 135 a štvrť centimetra. Ale číslo školy, kde dievčatá študujú, je kvantitatívne množstvo! Povedzme, že Káťa študuje v škole č. 135 a Máša študuje v škole č. 136. Nikto z nich však nemôže študovať na škole č. 135 a pol, však?
Ďalším príkladom kvantovaného systému je šachovnica. Na šachovnici je 64 polí a každá figúrka môže zaberať iba jedno pole. Môžeme umiestniť pešiaka niekde medzi bunky alebo umiestniť dvoch pešiakov na jednu bunku naraz? V skutočnosti môžeme, ale podľa pravidiel nie.
Zostup kontinua
A tu je šmykľavka na ihrisku. Deti sa z nej šmýkajú dole – výška šmykľavky sa totiž mení plynulo, plynulo. Teraz si predstavte, že táto šmykľavka sa zrazu (mvom čarovného prútika!) zmenila na schodisko. Odkotúľanie sa z nej na zadok už nebude fungovať. Budete musieť chodiť nohami - najprv jeden krok, potom druhý, potom tretí. Veľkosť (výška) sa zmenila nepretržite - ale začal sa meniť v krokoch, to znamená diskrétne, kvantované .
Kvantovaný zostup
Skontrolujme to!
1. Sused na dači Ivan Ivanovič odišiel do susednej dediny a povedal: „Po ceste si niekde oddýchnem.“
2. Sused na dači Ivan Ivanovič išiel do susednej dediny a povedal: "Pôjdem nejakým autobusom."
Ktorú z týchto dvoch situácií („systémov“) možno považovať za spojitú a ktorú možno považovať za kvantovanú?
odpoveď:
V prvom prípade Ivan Ivanovič kráča a môže sa zastaviť na odpočinok v akomkoľvek bode. To znamená, že tento systém je nepretržitý.
V druhom môže Ivan Ivanovič nastúpiť do autobusu, ktorý príde na zastávku. Môže to zmeškať a čakať na ďalší autobus. Nebude však môcť sedieť „niekde medzi“ autobusmi. To znamená, že tento systém je kvantovaný!
Obviňujte z toho astronómiu
Starí Gréci si boli dobre vedomí existencie spojitých (spojitých) a nespojitých (kvantovaných, nespojitých, diskrétnych) veličín. Archimedes vo svojej knihe Psammit (Počet zŕn piesku) dokonca urobil prvý pokus o vytvorenie matematického spojenia medzi spojitými a kvantovanými veličinami. V tom čase však neexistovala kvantová fyzika.
Až do začiatku 20. storočia neexistoval! Takí veľkí fyzici ako Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Young alebo Maxwell nikdy nepočuli o žiadnej kvantovej fyzike a zaobišli sa bez nej dobre. Môžete sa opýtať: prečo potom vedci prišli s kvantovou fyzikou? Čo zvláštne sa stalo vo fyzike? Predstavte si, čo sa stalo. Len nie vo fyzike, ale v astronómii!
Tajomný spoločník
V roku 1844 pozoroval nemecký astronóm Friedrich Bessel najjasnejšiu hviezdu našej nočnej oblohy – Sirius. V tom čase už astronómovia vedeli, že hviezdy na našej oblohe nie sú nehybné - pohybujú sa len veľmi, veľmi pomaly. Navyše, každá hviezda je dôležitá! - pohybuje sa v priamom smere. Takže pri pozorovaní Siriusa sa ukázalo, že sa vôbec nepohyboval v priamom smere. Zdalo sa, že hviezda sa „potácala“ najskôr jedným smerom, potom druhým. Siriusova cesta na oblohe bola ako kľukatá čiara, ktorú matematici nazývajú „sínusoida“.
Hviezda Sirius a jej satelit - Sirius B
Bolo jasné, že samotná hviezda sa takto pohybovať nemôže. Na premenu pohybu v priamom smere na pohyb pozdĺž sínusovej vlny je potrebná určitá „rušivá sila“. Preto Bessel navrhol, že okolo Siriusa sa točí ťažký satelit - to bolo najprirodzenejšie a najrozumnejšie vysvetlenie.
Výpočty však ukázali, že hmotnosť tohto satelitu by mala byť približne rovnaká ako hmotnosť nášho Slnka. Prečo potom nevidíme tento satelit zo Zeme? Sirius sa nachádza neďaleko Slnečnej sústavy – asi dva a pol parseku a objekt veľkosti Slnka by mal byť viditeľný veľmi dobre...
Bola to náročná úloha. Niektorí vedci uviedli, že tento satelit je studená, chladená hviezda - preto je úplne čierna a z našej planéty neviditeľná. Iní hovorili, že tento satelit nie je čierny, ale priehľadný, a preto ho nevidíme. Astronómovia z celého sveta sa pozerali na Sirius cez teleskopy a pokúšali sa „chytiť“ záhadný neviditeľný satelit, no zdalo sa, že sa im to vysmieva. Bolo čo prekvapiť, viete...
Potrebujeme zázračný ďalekohľad!
Prostredníctvom takéhoto ďalekohľadu ľudia prvýkrát videli satelit Sirius
V polovici 19. storočia žil a pracoval v Spojených štátoch vynikajúci konštruktér ďalekohľadov Alvin Clark. Pôvodným povolaním bol výtvarník, no náhodou sa z neho stal prvotriedny inžinier, sklár a astronóm. Až doteraz nikto nedokázal prekonať jeho úžasné šošovkové teleskopy! Jednu zo šošoviek od Alvina Clarka (priemer 76 centimetrov) možno vidieť v Petrohrade, v múzeu observatória Pulkovo...
To sme však odbočili. Alvin Clark teda v roku 1867 zostrojil nový ďalekohľad – s objektívom s priemerom 47 centimetrov; bol v tom čase najväčší ďalekohľad v Spojených štátoch. Tajomný Sirius bol vybraný ako prvý nebeský objekt, ktorý bolo možné počas testov pozorovať. A nádeje astronómov boli brilantne opodstatnené - hneď v prvú noc bol objavený nepolapiteľný satelit Sirius, ktorý predpovedal Bessel.
Z panvice do ohňa...
Po získaní údajov z Clarkových pozorovaní sa však astronómovia neradovali dlho. Veď podľa výpočtov by hmotnosť satelitu mala byť približne rovnaká ako hmotnosť nášho Slnka (333 000-násobok hmotnosti Zeme). Ale namiesto obrovského čierneho (alebo priehľadného) nebeského telesa astronómovia videli... malú bielu hviezdu! Táto hviezda bola veľmi horúca (25 000 stupňov, v porovnaní s 5 500 stupňami nášho Slnka) a zároveň malá (podľa kozmických štandardov), nie väčšia ako Zem (neskôr sa takéto hviezdy nazývali „bieli trpaslíci“). Ukázalo sa, že táto hviezda mala úplne nepredstaviteľnú hustotu. Z akej látky sa teda skladá?!
Na Zemi poznáme materiály s vysokou hustotou – povedzme olovo (kocka s centimetrovou stranou vyrobená z tohto kovu váži 11,3 gramu) alebo zlato (19,3 gramu na centimeter kubický). Hustota látky satelitu Sirius (nazývala sa „Sirius B“) je milión (!!!) gramov na kubický centimeter - je 52-tisíckrát ťažší ako zlato!
Vezmime si napríklad obyčajnú zápalkovú škatuľku. Jeho objem je 28 kubických centimetrov. To znamená, že zápalková škatuľka naplnená hmotou satelitu Sirius bude vážiť... 28 ton! Skúste si predstaviť – na jednej strane váhy je zápalková škatuľka a na druhej nádrž!
Bol tu ešte jeden problém. Vo fyzike existuje zákon nazývaný Charlesov zákon. Uvádza, že v rovnakom objeme je tlak látky vyšší, čím vyššia je teplota tejto látky. Spomeňte si, ako tlak horúcej pary strhne veko z varnej kanvice – a okamžite pochopíte, o čom hovoríme. Takže teplota látky satelitu Sirius porušila práve tento Charlesov zákon tým najbezohľadnejším spôsobom! Tlak bol nepredstaviteľný a teplota relatívne nízka. Výsledkom boli „nesprávne“ fyzikálne zákony a vo všeobecnosti „nesprávna“ fyzika. Ako Macko Pú – „nesprávne včely a zlý med“.
úplne sa mi točí hlava...
Aby sa fyzika „zachránila“, museli vedci na začiatku 20. storočia priznať, že na svete existujú DVE fyziky naraz – jedna „klasická“, známa už dvetisíc rokov. A ten druhý je nezvyčajný, kvantový . Vedci tvrdia, že zákony klasickej fyziky fungujú na bežnej, „makroskopickej“ úrovni nášho sveta. Ale na najmenšej, „mikroskopickej“ úrovni sa hmota a energia riadia úplne inými zákonmi – kvantovými.
Predstavte si našu planétu Zem. Okolo nej sa teraz točí viac ako 15 000 rôznych umelých objektov, každý na svojej vlastnej obežnej dráhe. Okrem toho je možné túto obežnú dráhu v prípade potreby zmeniť (opraviť) - napríklad obežná dráha Medzinárodnej vesmírnej stanice (ISS) sa pravidelne upravuje. Ide o makroskopickú úroveň, fungujú tu zákony klasickej fyziky (napríklad Newtonove zákony).
Teraz prejdime na mikroskopickú úroveň. Predstavte si jadro atómu. Okolo neho sa točia elektróny, ako satelity – ale nemôže ich byť toľko, koľko si želáte (napríklad atóm hélia nemá viac ako dva). A dráhy elektrónov už nebudú ľubovoľné, ale kvantované, „schodovité“. Fyzici tiež nazývajú takéto dráhy „povolené úrovne energie“. Elektrón sa nemôže „hladko“ pohybovať z jednej povolenej úrovne na druhú, môže len okamžite „skákať“ z úrovne na úroveň. Bol som len „tam“ a okamžite som sa ocitol „tu“. Nemôže byť niekde medzi „tam“ a „tu“. Okamžite zmení miesto.
Podivuhodný? Podivuhodný! To však nie je všetko. Faktom je, že podľa zákonov kvantovej fyziky nemôžu dva rovnaké elektróny zaberať rovnakú energetickú hladinu. Nikdy. Vedci tento jav nazývajú „Pauliho vylúčenie“ (zatiaľ nevedia vysvetliť, prečo je tento „zákaz“ účinný). Tento „zákaz“ zo všetkého najviac pripomína šachovnicu, ktorú sme uviedli ako príklad kvantového systému – ak je na bunke šachovnice pešiak, na túto bunku nemožno umiestniť ďalšieho pešiaka. Presne to isté sa deje s elektrónmi!
Riešenie problému
Pýtate sa, ako kvantová fyzika vysvetľuje také nezvyčajné javy, ako je porušenie Charlesovho zákona vo vnútri Sirius B? Tu je návod.
Predstavte si mestský park, ktorý má tanečný parket. Po ulici chodí veľa ľudí, na parket si prídu zatancovať. Nech počet ľudí na ulici predstavuje tlak a počet ľudí na diskotéke teplotu. Na parket môže prísť obrovské množstvo ľudí – čím viac ľudí chodí v parku, tým viac ľudí tancuje na parkete, teda čím vyšší tlak, tým vyššia teplota. Takto fungujú zákony klasickej fyziky – vrátane Charlesovho zákona. Vedci nazývajú túto látku „ideálnym plynom“.
Ľudia na tanečnom parkete sú „ideálny plyn“
Na mikroskopickej úrovni však neplatia zákony klasickej fyziky. Začínajú tam fungovať kvantové zákony a to radikálne mení situáciu.
Predstavme si, že na mieste tanečného parketu v parku bola otvorená kaviareň. V čom je rozdiel? Áno, faktom je, že na rozdiel od diskotéky do kaviarne nevstúpi „koľko ľudí“. Akonáhle budú všetky miesta pri stoloch obsadené, ochranka prestane púšťať ľudí dovnútra. A kým jeden z hostí neuvoľní stôl, ochranka nikoho nepustí! V parku sa prechádza stále viac ľudí - počet ľudí v kaviarni však zostáva rovnaký. Ukazuje sa, že tlak sa zvyšuje, ale teplota „stojí“.
Ľudia v kaviarni - „kvantový plyn“
Vo vnútri Sirius B samozrejme nie sú žiadni ľudia, tanečné parkety ani kaviarne. Princíp však zostáva rovnaký: elektróny naplnia všetky povolené úrovne energie (ako návštevníci zapĺňajú stoly v kaviarni) a už nikoho nemôžu „pustiť dnu“ – presne podľa Pauliho vylúčenia. Výsledkom je, že vo vnútri hviezdy vzniká nepredstaviteľne obrovský tlak, no teplota je vysoká, no pre hviezdy celkom bežná. Vo fyzike sa takáto látka nazýva „degenerovaný kvantový plyn“.
Ideme pokračovať?..
Anomálne vysoká hustota bielych trpaslíkov nie je zďaleka jediným javom vo fyzike, ktorý si vyžaduje použitie kvantových zákonov. Ak vás táto téma zaujíma, v ďalších číslach Luchika sa môžeme porozprávať o iných, nemenej zaujímavých, kvantových javoch. Napíšte! Zatiaľ si pripomeňme to hlavné:
1. V našom svete (Vesmíre) fungujú zákony klasickej fyziky na makroskopickej (t.j. „veľkej“) úrovni. Opisujú vlastnosti bežných kvapalín a plynov, pohyby hviezd a planét a mnoho iného. Toto je fyzika, ktorú študujete (alebo budete študovať) v škole.
2. Na mikroskopickej (teda neskutočne malej, miliónkrát menšej ako najmenšie baktérie) však fungujú úplne iné zákony – zákony kvantovej fyziky. Tieto zákony sú opísané veľmi zložitými matematickými vzorcami a v škole sa neštudujú. Iba kvantová fyzika však umožňuje pomerne jasne vysvetliť štruktúru takých úžasných kozmických objektov, akými sú bieli trpaslíci (ako Sirius B), neutrónové hviezdy, čierne diery atď.
Tu som viedol niekoľko dní rozhovor na túto tému oneskorená voľba kvantové vymazanie, ani nie tak diskusia, ako trpezlivé vysvetľovanie základov kvantovej fyziky mojím úžasným priateľom dr_tambowskym. Keďže som sa v škole neučil dobre fyziku a v starobe ju nasávam ako špongia. Rozhodol som sa zhromaždiť vysvetlivky na jednom mieste, možno pre niekoho iného.
Na začiatok odporúčam pozrieť si karikatúru pre deti o rušení a venovať pozornosť „oku“. Pretože o to vlastne ide.
Potom sa môžete pustiť do čítania textu od dr_tambowského, ktorý nižšie citujem celý, alebo ak ste šikovný a dôvtipný, môžete si ho prečítať hneď. Alebo ešte lepšie, oboje.
Čo je rušenie?
Je tu naozaj veľa rôznych termínov a pojmov a sú veľmi zmätené. Poďme pekne po poriadku. Po prvé, rušenie ako také. Existuje nespočetné množstvo príkladov interferencie a existuje veľa rôznych interferometrov. Konkrétnym experimentom, ktorý sa neustále navrhuje a často používa v tejto vede o vymazávaní (väčšinou preto, že je jednoduchý a pohodlný), sú dve štrbiny vyrezané vedľa seba, paralelne k sebe, v nepriehľadnej obrazovke. Najprv si posvietime na takýto dvojitý slot. Svetlo je vlna, však? A neustále pozorujeme interferenciu svetla. Berte to tak, že ak na tieto dve štrbiny posvietime svetlom a na druhú stranu položíme zástenu (alebo len stenu), potom na tejto druhej zástene tiež uvidíme interferenčný obrazec – namiesto dvoch jasných svetelných bodov “ prechádzajúci štrbinami“ na druhej obrazovke (stene) bude plot striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov. Ešte raz si všimnime, že ide o čisto vlnovú vlastnosť: ak hádžeme kamienky, potom tie, ktoré spadnú do štrbín, budú naďalej lietať priamo a narážajú do steny, každý za svojou štrbinou, to znamená, že uvidíme dve nezávislé hromady. kamienkov (ak sa prilepia na stenu, samozrejme 🙂), bez zasahovania.
Ďalej, pamätáte si, že v škole učili o „dualite vlny a častíc“? Že keď je všetko veľmi malé a veľmi kvantové, potom sú objekty častice aj vlny? V jednom zo slávnych experimentov (Stern-Gerlachov experiment) v 20. rokoch minulého storočia použili rovnaké nastavenie, ako je opísané vyššie, ale namiesto svetla svietili... elektrónmi. To znamená, že elektróny sú častice, však? To znamená, že ak ich „hodíte“ na dvojitú štrbinu ako kamienky, čo potom uvidíme na stene za štrbinami? Odpoveďou nie sú dva oddelené miesta, ale opäť interferenčný obraz!! To znamená, že elektróny môžu tiež rušiť.
Na druhej strane sa ukazuje, že svetlo nie je presne vlna, ale tak trochu aj častica – fotón. To znamená, že sme teraz takí inteligentní, že chápeme, že dva vyššie opísané experimenty sú to isté. Hádžeme (kvantové) častice na štrbiny a častice na týchto štrbinách interferujú - na stene sú viditeľné striedavé pruhy („viditeľné“ - v zmysle, ako tam registrujeme fotóny alebo elektróny, oči na to vlastne nie sú potrebné: )).
Teraz, vyzbrojení týmto univerzálnym obrázkom, si položme nasledujúcu, jemnejšiu otázku (pozor, veľmi dôležité!!):
Keď posvietime na štrbiny svetlom s našimi fotónmi/elektrónmi/časticami, na druhej strane vidíme interferenčný obrazec. úžasné. Čo sa však stane s jednotlivým fotónom/elektrónom/pi-mezónom? [a odteraz hovorme – len pre pohodlie – iba o fotónoch]. Koniec koncov, táto možnosť je možná: každý fotón letí ako kamienok cez svoju vlastnú štrbinu, to znamená, že má veľmi určitú trajektóriu. Tento fotón preletí cez ľavú štrbinu. A ten tam je napravo. Keď tieto kamienkové fotóny po svojich špecifických trajektóriách dosiahnu stenu za štrbinami, nejako spolu interagujú a v dôsledku tejto interakcie sa na samotnej stene objaví interferenčný vzor. Zatiaľ nič v našich experimentoch neodporuje tejto interpretácii – veď keď svietime jasným svetlom na štrbinu, vysielame veľa fotónov naraz. Ich pes vie, čo tam robia.
Na túto dôležitú otázku máme odpoveď. Vieme, ako hádzať jeden fotón naraz. Odišli. Čakali sme. Hodili ďalšiu. Pozorne sa pozrieme na stenu a všimneme si, kam tieto fotóny prichádzajú. Jediný fotón samozrejme nemôže z princípu vytvoriť pozorovateľný interferenčný obrazec – je sám, a keď ho zaregistrujeme, môžeme ho vidieť len na určitom mieste a nie všade naraz. Vráťme sa však k prirovnaniu s kamienkami. Jeden kamienok preletel okolo. Narazil do steny za jedným zo slotov (samozrejme tým, cez ktorý preletel). Tu je ďalší - opäť trafil za slot. sedíme. Počítame. Po určitom čase a hádzaní dostatočného množstva kamienkov dostaneme distribúciu - uvidíme, že veľa kamienkov narazí na stenu za jedným slotom a veľa za druhým. A nikde inde. To isté robíme s fotónmi – hádžeme ich jeden po druhom a pomaly počítame, koľko fotónov dorazí na jednotlivé miesta na stene. Pomaly sa z toho zbláznime, pretože výsledné frekvenčné rozloženie dopadov fotónov nie sú vôbec dve miesta pod príslušnými štrbinami. Toto rozloženie presne opakuje interferenčný vzor, ktorý sme videli, keď sme svietili jasným svetlom. Ale fotóny teraz prichádzali jeden po druhom! Jeden - dnes. Ďalší je zajtra. Na stene sa nemohli vzájomne ovplyvňovať. To znamená, že v úplnom súlade s kvantovou mechanikou je jeden samostatný fotón súčasne vlnou a nič podobné vlne mu nie je cudzie. Fotón v našom experimente nemá špecifickú trajektóriu – každý jednotlivý fotón prechádza oboma štrbinami naraz a akoby do seba zasahuje. Experiment môžeme zopakovať, pričom necháme otvorenú len jednu štrbinu – potom sa za ňou samozrejme fotóny zhlukujú. Zatvorme prvý, otvorme druhý, stále hádžeme fotóny jeden po druhom. Zhlukujú sa, samozrejme, pod druhou, otvorenou trhlinou. Otvoriť obidve - výsledné rozloženie miest, kde sa fotóny radi zhlukujú, nie je súčtom rozdelení získaných, keď bola otvorená iba jedna štrbina. Teraz sú stále schúlené medzi trhlinami. Presnejšie, ich obľúbenými miestami na zoskupovanie sú teraz striedavé pruhy. V tomto sa k sebe tlačia, v ďalšom - nie, zase - áno, tma, svetlo. Ach, rušenie...
Čo je superpozícia a rotácia.
Takže. Predpokladajme, že rozumieme všetkému o interferencii ako takej. Urobme superpozíciu. Neviem ako si na tom s kvantovou mechanikou, prepáč. Ak je to zlé, budete musieť veľa vziať na vieru; je ťažké to vysvetliť v skratke.
Ale v princípe sme už boli niekde blízko – keď sme videli, že cez dve štrbiny naraz preletí jediný fotón. Zjednodušene môžeme povedať: fotón nemá trajektóriu, vlnu a vlnu. A môžeme povedať, že fotón letí súčasne po dvoch trajektóriách (prísne povedané, nie po dvoch, samozrejme, ale po všetkých naraz). Toto je ekvivalentné vyhlásenie. V zásade, ak pôjdeme touto cestou až do konca, dospejeme k „integrálu cesty“ – Feynmanovej formulácii kvantovej mechaniky. Táto formulácia je neuveriteľne elegantná a rovnako zložitá, je ťažko použiteľná v praxi, tým menej ju použiť na vysvetlenie základov. Preto nechoďme celú cestu, ale radšej meditujme o fotóne letiacom „po dvoch trajektóriách naraz“. V zmysle klasických pojmov (a trajektória je presne definovaný klasický pojem, buď kameň letí hlava-nehlava, alebo vedľa) je fotón súčasne v rôznych stavoch. Ešte raz, trajektória nie je ani presne taká, akú potrebujeme, naše ciele sú jednoduchšie, len vás vyzývam, aby ste si uvedomili a precítili skutočnosť.
Kvantová mechanika nám hovorí, že táto situácia je pravidlom, nie výnimkou. Akákoľvek kvantová častica môže byť (a zvyčajne je) v „niekoľkých stavoch“ naraz. V skutočnosti toto vyhlásenie nemusíte brať príliš vážne. Tieto „viacnásobné stavy“ sú vlastne naše klasické intuície. Definujeme rôzne „stavy“ na základe niektorých našich vlastných (externých a klasických) úvah. A kvantová častica žije podľa svojich vlastných zákonov. Má bohatstvo. Bodka. Výrok o „superpozícii“ znamená len to, že tento stav sa môže veľmi líšiť od našich klasických predstáv. Predstavujeme klasický koncept trajektórie a aplikujeme ho na fotón v stave, v akom sa mu páči byť. A fotón hovorí - "Prepáčte, môj obľúbený stav je, že vo vzťahu k týmto vašim trajektóriám som na oboch naraz!" To neznamená, že fotón nemôže byť vôbec v stave, v ktorom je dráha (viac-menej) určená. Zatvorme jednu zo štrbín – a môžeme do istej miery povedať, že fotón preletí druhou po určitej trajektórii, ktorej dobre rozumieme. To znamená, že takýto stav v princípe existuje. Otvorme oboje – fotón je radšej v superpozícii.
To isté platí pre ostatné parametre. Napríklad vlastný moment hybnosti alebo rotáciu. Pamätáte si na dva elektróny, ktoré môžu sedieť spolu na rovnakom orbitále - ak majú opačné spiny? Toto je presne ono. A fotón má tiež spin. Na fotónovom spine je dobré, že v klasike vlastne zodpovedá polarizácii svetelnej vlny. To znamená, že pomocou všetkých možných polarizátorov a iných kryštálov, ktoré máme, môžeme manipulovať so spinom (polarizáciou) jednotlivých fotónov, ak ich máme (a objavia sa).
Takže točiť. Elektrón má spin (v nádeji, že orbitály a elektróny sú vám známejšie ako fotóny, takže všetko je rovnaké), ale elektrónu je absolútne ľahostajné, v akom „stave spinu“ sa nachádza. Spin je vektor a môžeme sa pokúsiť povedať „otočenie bodov hore“. Alebo „rotácia sa pozerá nadol“ (vo vzťahu k nejakému smeru, ktorý sme si vybrali). A elektrón nám hovorí: "Nestarám sa o teba, môžem byť na oboch trajektóriách v oboch spinových stavoch naraz." Tu je opäť veľmi dôležité, že nie je veľa elektrónov v rôznych spinových stavoch, v súbore sa jeden pozerá hore, druhý dole a každý jednotlivý elektrón je v oboch stavoch naraz. Rovnako ako nie rôzne elektróny prechádzajú rôznymi štrbinami, ale jeden elektrón (alebo fotón) prechádza oboma štrbinami naraz. Elektrón môže byť v stave s určitým smerom rotácie, ak sa ho veľmi pýtate, ale sám to neurobí. Situáciu možno opísať semi-kvalitatívne takto: 1) existujú dva stavy, |+1> (roztočenie) a |-1> (roztočenie); 2) v princípe ide o kóšer stavy, v ktorých môže existovať elektrón; 3) ak však nevynaložíte špeciálne úsilie, elektrón bude „rozmazaný“ cez oba stavy a jeho stav bude niečo ako |+1> + |-1>, teda stav, v ktorom elektrón nemá špecifickú smer otáčania (rovnako ako 1+ trajektória trajektória 2, však?). Toto je „superpozícia štátov“.
O kolapse vlnovej funkcie.
Zostáva nám len veľmi málo na to, aby sme pochopili, čo je meranie a „kolaps vlnovej funkcie“. Vlnová funkcia je to, čo sme napísali vyššie, |+1> + |-1>. Len popis stavu. Pre jednoduchosť môžeme hovoriť o samotnom štáte ako takom a jeho „kolapse“, na tom nezáleží. Toto sa stane: elektrón letí sám k sebe v takom neistom stave mysle, buď je hore, alebo dole, alebo oboje naraz. Potom pribehneme s nejakým strašidelne vyzerajúcim zariadením a zmeriame smer otáčania. V tomto konkrétnom prípade stačí vložiť elektrón do magnetického poľa: tie elektróny, ktorých spinové body pozdĺž smeru poľa by sa mali odchyľovať v jednom smere, tie, ktorých spiny smerujú proti poľu - v druhom. Sadneme si na druhú stranu a šúchame si ruky – vidíme, ktorým smerom sa elektrón odchýlil a hneď vieme, či jeho spin smeruje hore alebo dole. Fotóny je možné vložiť do polarizačného filtra - ak je polarizácia (spin) +1, fotón prejde, ak -1, tak nie.
Ale prepáčte – elektrón predsa nemal pred meraním určitý smer spinu? To je celá podstata. Neexistovala žiadna jednoznačná, ale bola akoby „zmiešaná“ z dvoch štátov naraz a v každom z týchto štátov existovalo do značnej miery smer. V procese merania nútime elektrón, aby sa rozhodol, kto to má byť a kam sa má pozerať – hore alebo dole. Vo vyššie opísanej situácii samozrejme v zásade nemôžeme vopred predpovedať, aké rozhodnutie urobí tento konkrétny elektrón, keď vletí do magnetického poľa. S pravdepodobnosťou 50% sa môže rozhodnúť „hore“, s rovnakou pravdepodobnosťou sa môže rozhodnúť „dole“. Ale akonáhle sa tak rozhodne, je v stave s určitým smerom otáčania. Výsledkom nášho „merania“! Toto je „kolaps“ - pred meraním bola vlnová funkcia (pardon, stav) |+1> + |-1>. Potom, čo sme „zmerali“ a videli, že sa elektrón odchýlil v určitom smere, bol určený jeho smer spinu a jeho vlnová funkcia sa stala jednoducho |+1> (alebo |-1>, ak sa odchýlil iným smerom). To znamená, že štát sa „zrútil“ do jednej zo svojich zložiek; Už nie je žiadna stopa po „miešaní“ druhej zložky!
Do veľkej miery to bolo cieľom prázdneho filozofovania v pôvodnom príspevku, a preto sa mi nepáči koniec karikatúry. Jednoducho sa tam pritiahne oko a neskúsený divák môže mať po prvé ilúziu určitej antropocentrickosti procesu (hovoria, že na vykonanie „merania“ je potrebný pozorovateľ), a po druhé jeho neinvazívnosti ( no, práve hľadáme!). Moje názory na túto tému boli načrtnuté vyššie. Po prvé, „pozorovateľ“ ako taký samozrejme nie je potrebný. Stačí uviesť kvantový systém do kontaktu s veľkým, klasickým systémom a všetko sa stane samo (elektróny vletia do magnetického poľa a rozhodnú sa, kto to bude, bez ohľadu na to, či sedíme na druhej strane a pozorujeme, resp. nie). Po druhé, neinvazívne klasické meranie kvantovej častice je v princípe nemožné. Je ľahké nakresliť oko, ale čo to znamená „pozrieť sa na fotón a zistiť, kam šiel“? Aby ste sa pozreli, potrebujete, aby fotóny zasiahli vaše oko, najlepšie veľa. Ako to zariadiť, aby dorazilo veľa fotónov a povedali nám všetko o stave jedného nešťastného fotónu, ktorého stav nás zaujíma? Posvietiť si naň baterkou? A čo z neho po tomto zostane? Je jasné, že jeho stav veľmi ovplyvníme, možno až do takej miery, že sa mu už nebude chcieť liezť do jedného slotu. Nie je to až také zaujímavé. Ale konečne sme sa dostali k zaujímavej časti.
O Einstein-Podolsky-Rosenovom paradoxe a koherentných (prepletených) fotónových pároch
Teraz vieme o superpozícii stavov, ale doteraz sme hovorili len o jednej častici. Čisto pre jednoduchosť. Ale predsa, čo ak máme dve častice? Môžete pripraviť pár častíc v úplne kvantovom stave, takže ich celkový stav je opísaný jednou spoločnou vlnovou funkciou. To, samozrejme, nie je jednoduché - dva ľubovoľné fotóny v susedných miestnostiach alebo elektróny v susedných skúmavkách o sebe navzájom nevedia, takže môžu a mali by byť opísané úplne nezávisle. Preto je len možné vypočítať väzbovú energiu povedzme jedného elektrónu na jeden protón v atóme vodíka bez toho, aby sme sa vôbec zaujímali o iné elektróny na Marse alebo dokonca na susedných atómoch. Ale ak vynaložíte špeciálne úsilie, môžete vytvoriť kvantový stav, ktorý zahŕňa dve častice naraz. Toto sa bude nazývať „koherentný stav“; vo vzťahu k párom častíc a všetkým druhom kvantových vymazaní a počítačov sa to nazýva aj zapletený stav.
Poďme ďalej. Môžeme vedieť (kvôli obmedzeniam spôsobeným procesom prípravy tohto koherentného stavu), že, povedzme, celkový spin nášho dvojčasticového systému je nulový. To je v poriadku, vieme, že spiny dvoch elektrónov v orbitále s musia byť antiparalelné, to znamená, že celkový spin je nulový, a to nás vôbec nedesí, však? Čo nevieme je, kam smeruje rotácia konkrétnej častice. Vieme len, že bez ohľadu na to, kam sa pozrie, druhé roztočenie sa musí pozrieť opačným smerom. To znamená, že ak označíme naše dve častice (A) a (B), potom stav môže byť v princípe takýto: |+1(A), -1(B)> (A pozrie hore, B pozrie dole ). Toto je povolený stav a neporušuje žiadne uložené obmedzenia. Ďalšou možnosťou je |-1(A), +1(B)> (naopak, A dole, B hore). Tiež možný stav. Nepripomína vám to ešte stavy, ktoré sme si zapísali o niečo skôr pre spin jedného elektrónu? Pretože náš systém dvoch častíc, hoci je kvantový a koherentný, môže (a bude) byť aj v superpozícii stavov |+1(A); -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. To znamená, že obe možnosti sú implementované súčasne. Ako obe trajektórie fotónu alebo oba smery spinu jedného elektrónu.
Meranie takéhoto systému je oveľa vzrušujúcejšie ako meranie jedného fotónu. Predpokladajme totiž, že meriame spin len jednej častice, A. Už sme pochopili, že meranie je pre kvantovú časticu silným stresom, jej stav sa počas procesu merania veľmi zmení, dôjde ku kolapsu... To je všetko pravda, ale v tomto prípade je tu aj druhá častica, B, ktorá je tesne spojená s A, majú spoločnú vlnovú funkciu! Predpokladajme, že sme zmerali smer rotácie A a zistili sme, že je to +1. Ale A nemá svoju vlastnú vlnovú funkciu (alebo inými slovami, svoj vlastný nezávislý stav), aby sa zrútila na |+1>. Všetko, čo má A, je stav „zapletený“ s B, napísaný vyššie. Ak meranie A dáva +1 a vieme, že rotácie A a B sú antiparalelné, vieme, že rotácia B smeruje nadol (-1). Vlnová funkcia páru sa zrúti na čokoľvek, čo môže, alebo môže len na |+1(A); -1(B)>. Zapísaná vlnová funkcia nám neposkytuje žiadne iné možnosti.
Zatiaľ nič? Len si pomyslite, je zachované úplné odstreďovanie? Teraz si predstavte, že sme vytvorili taký pár A, B a nechali tieto dve častice odletieť od seba rôznymi smermi a zostali koherentné. Jedna (A) letela k Merkúru. A druhý (B) povedzme Jupiterovi. Práve v tomto momente sme sa stali na Merkúre a zmerali sme smer rotácie A. Čo sa stalo? V tom momente sme sa naučili smer rotácie B a zmenili sme vlnovú funkciu B! Upozorňujeme, že to vôbec nie je rovnaké ako v klasike. Nechajte dva lietajúce kamene otáčať sa okolo svojej osi a dajte nám s istotou vedieť, že sa otáčajú v opačných smeroch. Ak zmeriame smer rotácie jedného, keď dosiahne Merkúr, budeme poznať aj smer rotácie druhého, kdekoľvek sa do tej doby dostane, dokonca aj na Jupiter. Ale tieto kamene sa vždy pred akýmkoľvek naším meraním otáčali určitým smerom. A ak niekto zmeria kameň letiaci smerom k Jupiteru, dostane rovnakú a celkom jednoznačnú odpoveď, bez ohľadu na to, či sme niečo na Merkúre namerali alebo nie. S našimi fotónmi je situácia úplne iná. Žiadny z nich nemal pred meraním žiadny špecifický smer otáčania. Ak by sa niekto bez našej účasti rozhodol zmerať smer rotácie B niekde v oblasti Marsu, čo by získal? Presne tak, pri 50% pravdepodobnosti by videl +1, pri 50% -1. Toto je stav B, superpozícia. Ak sa toto niekto rozhodne zmerať spin B hneď potom, čo sme už namerali spin A, videli +1 a spôsobili kolaps *celej* vlnovej funkcie,
potom dostane ako výsledok merania len -1 s pravdepodobnosťou 100%! Až v momente nášho merania sa A konečne rozhodol, kto by mal byť a „zvolil“ smer rotácie – a táto voľba okamžite ovplyvnila *celú* vlnovú funkciu a stav B, ktorý je v tejto chvíli už Boh vie. kde.
Tento problém sa nazýva „nelokálnosť kvantovej mechaniky“. Tiež známy ako Einstein-Podolsky-Rosenov paradox (EPR paradox) a vo všeobecnosti s tým súvisí to, čo sa deje pri vymazávaní. Samozrejme, možno niečo zle chápem, ale podľa môjho vkusu je vymazanie zaujímavé, pretože je to presne experimentálna demonštrácia nelokality.
Zjednodušene by experiment s vymazávaním mohol vyzerať takto: vytvoríme koherentné (prepletené) páry fotónov. Jeden po druhom: pár, potom ďalší atď. V každom páre letí jeden fotón (A) jedným smerom, druhý (B) druhým. Všetko je, ako sme už diskutovali, trochu vyššie. Na dráhu fotónu B umiestnime dvojitú štrbinu a uvidíme, čo sa objaví za touto štrbinou na stene. Objaví sa interferenčný obrazec, pretože každý fotón B, ako vieme, letí pozdĺž oboch trajektórií, cez obe štrbiny naraz (ešte si pamätáme na interferenciu, s ktorou sme začali tento príbeh, však?). To, že B je stále koherentne spojené s A a má spoločnú vlnovú funkciu s A, je pre neho dosť fialové. Poďme si experiment skomplikovať: zakryte jeden slot filtrom, ktorý prepúšťa iba fotóny so spinom +1. Druhý prekryjeme filtrom, ktorý prepúšťa len fotóny so spinom (polarizáciou) -1. Naďalej si užívame interferenčný obrazec, pretože vo všeobecnom stave dvojice A, B (|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, keďže pamätajte), existujú stavy B s oboma spinmi. To znamená, že „časť“ B môže prejsť cez jeden filter/štrbinu a časť cez iný. Rovnako ako predtým, jedna „časť“ letela po jednej trajektórii, druhá po inej (samozrejme, ide o slovné spojenie, ale faktom zostáva).
Nakoniec vrchol: niekde na Merkúre, alebo o niečo bližšie, na druhý koniec optickej tabuľky umiestnime do dráhy fotónov A polarizačný filter a za filter detektor. Ujasnime si, že tento nový filter umožňuje prechod iba fotónov so spinom +1. Pri každom spustení detektora vieme, že fotón A so spinom +1 prešiel (spin -1 neprejde). To však znamená, že vlnová funkcia celého páru sa zrútila a „brat“ nášho fotónu, fotón B, mal v tomto momente iba jeden možný stav -1. Všetky. Fotón B teraz nemá „nič“ cez ktorý by sa dalo dostať, otvor pokrytý filtrom, ktorý umožňuje prejsť iba polarizáciou +1. Ten komponent mu jednoducho nezostáva. „Rozpoznať“ tento fotón B je veľmi jednoduché. Vytvárame dvojice po jednom. Keď zistíme, že fotón A prechádza cez filter, zaznamenáme čas, kedy prišiel. Napríklad pol druhej. To znamená, že aj jeho „brat“ B priletí o pol jednej k stene. No, alebo o 1:36, ak poletí trochu ďalej a teda dlhšie. Tam zaznamenávame aj časy, čiže vieme porovnať, kto je kto a kto s kým súvisí.
Ak sa teda teraz pozrieme na to, aký obraz sa vynára na stene, nezistíme žiadne rušenie. Fotón B z každého páru prechádza jedným alebo druhým slotom. Na stene sú dve škvrny. Teraz odstránime filter z dráhy fotónov A. Interferenčný obrazec je obnovený.
...a nakoniec o oneskorenom výbere
Situácia sa stáva úplne žalostnou, keď fotónu A trvá dlhšie, kým sa dostane k svojmu filtru/detektoru, ako fotónu B, kým sa dostane do štrbín. Meranie vykonáme (a prinútime A vyriešiť a vlnovú funkciu zrútiť) potom, čo by B už dosiahol stenu a vytvoril interferenčný obrazec. Kým však meriame A, dokonca „neskôr, ako by malo“, interferenčný vzor pre fotóny B stále mizne. Odstránime filter pre A - je obnovený. Toto je už oneskorené vymazanie. Nemôžem povedať, že dobre rozumiem tomu, s čím to jedia.
Zmeny a doplnenia a objasnenia.
Všetko bolo správne, s nevyhnutnými zjednodušeniami, kým sme nepostavili zariadenie s dvoma zapletenými fotónmi. Po prvé, fotón B zažíva interferenciu. Zdá sa, že to nefunguje s filtrami. Musíte ho prikryť doskami, ktoré menia polarizáciu z lineárnej na kruhovú. Toto sa už vysvetľuje ťažšie 😦 Ale to nie je to hlavné. Hlavná vec je, že keď prekryjeme sloty rôznymi filtrami, rušenie zmizne. Nie v momente, keď meriame fotón A, ale okamžite. Záludný trik je v tom, že inštaláciou doskových filtrov sme „označili“ fotóny B. Inými slovami, fotóny B nesú dodatočné informácie, ktoré nám umožňujú presne zistiť, po akej trajektórii preleteli. *Ak* zmeriame fotón A, potom budeme schopní presne zistiť, ktorá trajektória B preletela, čo znamená, že B nebude mať interferenciu. Jemnosť je v tom, že nie je potrebné fyzicky „merať“ A! Tu som sa minule hrubo mýlil. Nie je potrebné merať A, aby rušenie zmizlo. Ak je *možné* zmerať a zistiť, ktorú z trajektórií fotón B absolvoval, tak v tomto prípade k interferencii nedôjde.
V skutočnosti sa to ešte dá zažiť. Tam, na nižšie uvedenom odkaze, ľudia akosi bezradne krčia rukami, ale podľa mňa (možno sa zase mýlim? 😉) je vysvetlenie takéto: vložením filtrov do slotov sme už značne zmenili systém. Nezáleží na tom, či sme skutočne zaregistrovali polarizáciu alebo trajektóriu, po ktorej fotón prešiel alebo sme na poslednú chvíľu zamávali rukou. Je dôležité, aby sme všetko „pripravili“ na meranie a už ovplyvnili stavy. Preto nie je potrebné vlastne „merať“ (v zmysle uvedomelého humanoidného pozorovateľa, ktorý si priniesol teplomer a výsledok zapísal do denníka). Všetko v určitom zmysle (v zmysle vplyvu na systém) už bolo „zmerané“. Tvrdenie je zvyčajne formulované takto: „*ak* zmeriame polarizáciu fotónu A, potom budeme poznať polarizáciu fotónu B, a teda aj jeho trajektóriu, a keďže fotón B letí po určitej trajektórii, potom nebude rušenie; nemusíme ani merať fotón A – stačí, že toto meranie je možné; fotón B vie, že sa dá zmerať, a odmieta zasahovať.“ Je v tom istá mystifikácia. No áno, odmieta. Jednoducho preto, že systém bol takto pripravený. Ak má systém dodatočné informácie (existuje spôsob), ako určiť, po ktorej z dvoch trajektórií fotón letel, potom nedôjde k žiadnemu rušeniu.
Ak vám poviem, že som všetko zariadil tak, aby fotón preletel len cez jednu štrbinu, hneď pochopíte, že k rušeniu nedôjde? Môžete bežať skontrolovať („zmerať“) a uistiť sa, že hovorím pravdu, alebo tomu tak môžete veriť. Ak som neklamal, potom k rušeniu nedôjde bez ohľadu na to, či sa ma ponáhľate skontrolovať alebo nie :) Podľa toho slovné spojenie „dá sa merať“ v skutočnosti znamená „systém je pripravený tak špeciálne, že... .”. Je to pripravené a pripravené, to znamená, že na tomto mieste ešte nie je kolaps. Existujú „označené“ fotóny a žiadne rušenie.
Ďalej - prečo je to vlastne všetko vymazanie - nám hovoria: konajme so systémom tak, aby sme tieto značky „vymazali“ z fotónov B - potom začnú znova zasahovať. Zaujímavým bodom, ku ktorému sme sa už priblížili, aj keď v chybnom modeli, je, že fotóny B môžu zostať nedotknuté a platne ponechané v slotoch. Môžete ťahať za fotón A a rovnako ako pri kolapse, zmena jeho stavu spôsobí (nelokálne) zmenu celkovej vlnovej funkcie systému, takže už nemáme dostatočné informácie na určenie, ktorou štrbinou fotón B prešiel. To znamená, že do cesty fotónu A vložíme polarizátor - interferencia fotónov B sa obnoví. Pri oneskorení je všetko po starom – robíme to tak, že fotónu A trvá dlhšie letieť k polarizátoru ako B, kým sa dostane k štrbinám. A stále, ak má A polarizátor na ceste, potom B ruší (hoci, ako to bolo, „predtým, než“ A dosiahne polarizátor)!
