Этот безумный квантовый мир. Часть 1

Мы решили попросить некоторых увлеченных студентов и молодых исследователей рассказать нам, что они изучают. Первую небольшую лекцию для нас прочитал магистр кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова Михаил Каликин. Он рассказал нам о малопонятном даже для физиков мире квантов.


Другие лекции серии:

Этот безумный квантовый мир. Часть 2: Спин

Этот безумный квантовый мир. Часть 3: Квантовое число

Этот безумный квантовый мир. Часть 4: Квантовые компьютеры


 

Свет — это частица или волна?

Квантовый мир абсолютно, совершенно безумен. А безумен он почему? Потому что нам, обычным смертным, он кажется совершенно непонятным и чужим. В макромире у нас с детства вырабатывается представление о том, как, что и за чем должно следовать. Однако когда люди стали изучать квантовый мир, они не могли понять, что с этим кошмаром делать. В привычном нам пространстве есть объекты, которые могут сталкиваться, крушиться, падать на землю. И даже взлетать, если, как заметил Архимед, будет сила, способная их выталкивать — например, при нахождении в газе или жидкости. В квантовом же мире творится полное безумие, потому что там частицы вели себя не так, как мы привыкли, а так, как привыкли они, и это было совершенно непонятно.

Тем временем существовала в оптике одна проблема, и люди пытались её решить. А именно: выяснить, что же такое свет — частица или волна? И все до этого думали, что есть только один ответ. Люди пока не знали какой, но какой-то один, и до него надо копать, копать,и найти его, наконец. А когда ученые залезли в квантовый мир, они поняли, что свет совершенно точно — это и свет, и частица, и в то же время ни то и ни другое, потому что ведёт он себя так, как хочет он, а не так, как хотим мы.

То есть оказалось, что привычный нам свет вёл себя и как частица, и как волна. Однако, когда провели эксперименты с единичными частицами света — фотонами,— они тоже вели себя как волны. Хотя они у них были, конечно, не «волнами» в привычном смысле. Как, например, это происходит с водой: мы видим, что бежит волна и состоит из маленьких частиц воды.

Что значит «частица ведёт себя как волна»

Этот безумный квантовый мир. Часть 1
Схема прохождения световых волн через щели. Когда через них проходит пучок света, он демонстрирует волновые свойства, расходясь в разные стороны. Отдельный квант, который, казалось бы, является частицей, проходя через щель, тоже ведёт себя как волна. Однако поскольку он представляет собой отдельную частицу, он случайным, непредсказуемым образом направляется в какую-либо сторону. Источник: wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Когда мы говорим, что одна частица ведёт себя как волна, мы имеем в виду, что у неё как у волны распределяется вероятность того, как она будет действовать. То есть, проходя через две щели, одна частица, даже если мы не направляли её в какую-то конкретную щель, а направляли просто в эту сторону, она могла пройти как через одну щель, так и через другую. Выбирала она это совершенно самостоятельно, буквально, как хотела сама.

После того как она пролетала через щели, она попадала не на экран, расположенный за отверстиями, а опять следовала произвольно. То есть она распределялась во все стороны. При этом в какие-то она попадала чаще, а в какие-то — реже. Иными словами, если мы будем запускать частицы одну за одной, то они сами выберут направление своего движения.

[myline]И нормальных учёных, которые привыкли, что есть причина, есть следствие, есть взаимосвязь, это просто сводило с ума. Они не понимали, что вообще происходит, почему одна частица сама для себя каким-то образом решает, куда ей пойти.[/myline]

Эффект наблюдателя

Тогда ещё появилась такая вещь, как эффект наблюдателя. Так, если поставить в одну из щелей детектор, который будет понимать, что вот прошла частица, то он бы передавал эту информацию: «Всё, мы частицы. Ты нас искал — мы частицы. Ты нас хотел поймать как частицы — ты поймал нас как частицы, и мы останемся ими дальше». Поэтому летели они, не распределяясь, повсюду, и даже какие-то места игнорируя, а попадали ровно за той щелью, в которую их человек запускал.

То есть, как только, условно, приходит ученый и говорит: «Вот я отправлю тебя сюда. Вот я детектором нашёл, что ты здесь была», — частица говорит: «Да, я здесь была», — и летит себе дальше. Раз её искали как частицу, то её и находили как частицу. Это сводило всех физиков с ума. Поскольку, если её не искать как частицу, то она будет вести себя так, как придётся. А именно: взаимодействовать с окружающим миром как частица, но лететь и выбирать направление как волна — в то место, в которое ей нравится.

Что общего у света и материи

Но ладно бы ещё свет — к нему все привыкли. Но ведь и есть какие-то привычные нам части материи, например, кусочек шоколада. Можно пустить его как пулю, и он будет лететь вперёд. И все понимали, что вот — есть шоколад, та вещь, которую можно потрогать, понюхать, как-то взаимодействовать с ней, а есть свет — непонятно что, летящее невероятно быстро и представляющее из себя нечто особенное.

Так вот к такой природе света, что они волна, и частица, люди более-менее привыкли. Однако физики заметили, что также ведёт себя и то, что они привыкли воспринимать как частицы материи. То есть совершенно предательски вёл себя, например, электрон, когда его запускали через те же самые щели. Он тоже говорил: «Вот, смотри, я как фотон. Мы из одного мира. Мы действуем одинаково». Хотя ученые совершенно точно знали, что у электрона есть масса, которую можно измерить, а еще знали, что электрон как-то связан с электричеством. То есть это вполне себе нормальный объект из привычного мира, но, когда забираешься глубже, на квантовый уровень, когда смотришь на него поближе, электрон опять ведёт себя совершенно предательски, не желая быть чем-то привычным для физиков.

[myline]И тогда у всех изрядно болели головы из-за попыток это объяснить. Кто-то сдавался, говорил, что всё это бред, что это нельзя описывать, что мы туда не пойдём, а будем жить в привычном нам физическом мире, а в ваши квантовые дебри лезть не будем. Кто-то пытался с этим работать. И таких смельчаков даже признавали в науке, хотя работать с непонятно чем было непонятно как. И это было, пожалуй, одно из самых безумных времён во всей истории физики. Тогда рушилось просто всё. Люди не знали, как начать работать, в какую сторону двигаться, как со всем тем, что они нашли, взаимодействовать. Тогда начинали разрабатываться различные математические аппараты и появлялись различные взгляды на квантовые явления.[/myline]

«Заткнись и считай!»

Этот безумный квантовый мир. Часть 1
Компьютерная симуляция столкновения в ускорителе частиц. На основании траекторий остаточных частиц, их скоростей и энергий учёные получают данные о внутреннем составе сталкиваемых частиц. Lucas Taylor / CERN / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

В то же время продолжалось активное экспериментальное исследование, поскольку наблюдать эти явления люди все-таки могли. Но на самом деле ученые-физики видели какой-то кошмар, а потому этот кошмар показывали всем и пытались всё это объяснить. Например, так появилась волновая гипотеза де Бройля, согласно которой обычной частице можно сопоставить волну, и рассматривать её как условную волну. Но она не волна, а «как бы» волна. Таковой была одна из попыток объяснить эту пугающую неразбериху.

А сейчас это то, чем мы в физике активно пользуемся. Мы в квантовой механике говорим, что это работает. Но если тогда считалось, что это «как бы» волна, то сейчас мы понимаем, что всё это можно называть и волнами, и частицами, и вообще по-всякому. И справедливо это не с пренебрежительным оттенком, а справедливо совершенно точно. Но в то же время нельзя говорить, что это волна или частица, или еще что-то определённое. Мы просто говорим, что это квантовый объект. Весь этот кошмар свойств, присущий квантовым объектам, содержится в этом определении — это просто квантовый объект. Он ни волна, ни частица, и волна, и частица, и всё это сразу, и точно — ничего из этого. Да, всё получается очень сложно.

В квантовой механике, квантовой электродинамике и других областях, где изучают кванты, в 50-х, кажется, годах даже появилась замечательная присказка: «Заткнись и считай!» Когда люди научились использовать какие-то матрицы и строить какие-то уравнения, которым поведение квантовых объектов удовлетворяло, тогда возникала какая-то странная математика. Почему-то при описании вполне себе обычных частиц, для которых до этого в привычной (классической) физике создавалось уравнение, и всё было хорошо, теперь уравнение делали матричным. Оно получалось сложным, поэтому пришлось вводить какие-то новые операторы. Люди просто хватались за головы и не знали, что делать.

«Социология» квантов

Но в итоге получилось так, что если я беру математическое непонятно что и произвожу некие действия, то у меня всё получается. Более того, я могу сказать, что в результате с квантовым объектом получается вот это, вот это и вот это. По такому же принципу научились работать с вероятностями, с матрицами. У всех голова взрывалась оттого, что приходилось вводить какой-то новый математический аппарат, с которым почти никто не знал, как работать.

[mydoubleline]Были единичные специалисты, которые понимали, а остальные просто смотрели на них как на чудо света. Кто-то признавал, говорил: «Вот вы там молодцы. Вы делаете что-то невероятное. Я такое не могу, а вы можете», а кто-то говорил: «Я так не могу. Вы творите что-то непонятное. И, в общем, вы не правы, а я пошёл к себе».[/mydoubleline]

В итоге физики все-таки научились описывать квантовые объекты. Ведь чтобы понять, что это, нужно сравнить квантовые объекты с тем, что привычно нашему миру. А поскольку нет ничего, с чем можно сравнить наш мир и квантовый, люди бросили эти попытки, загнать кванты в рамки классической физики, и просто поняли, что можно взаимодействовать, при этом не пытаясь как-то это определить их, связать с нашим миром.

Получилось так, что квантовый мир — это действительно отдельный мир, который живёт вместе с нашим, но влияет на него очень опосредованно. То есть то, что мы видим вокруг нас — это усреднение, как общая статистика. Подобно тому, как в социологии отдельные люди исчезают в общей массе, и появляется только статистика. Человек перестаёт быть человеком и становится частью группы, и для группы найти какие-то закономерности гораздо проще, чем разобраться, что происходит с отдельным человеком.

[mydoubleline]Вот и квантовая физика решила уйти от описаний, типа «вот эта частица поскакала туда», и попыток разобраться, что там происходит «в голове» у отдельной частицы. Потому что как раз с этого и начались все сложности. А это не так-то просто — попытаться продолжить аналогию с социологией и психологией, работой одной головы объяснить какие-то принципы взаимодействия разных сознаний, и вывести какие-то закономерности, которые позволили бы перейти от одного человека ко всему человечеству.[/mydoubleline]

И вот это более-менее получилось с квантами. Прямо как в социологии — можно найти какие-то общие закономерности и сильно не вникать, что там происходит в отдельном сознании. Физики не интересуются, почему так, почему конкретная частица ведёт себя тем или иным образом. Они просто видят, что они ведут себя так-то и так-то. Иными словами, физики научились принимать то, что они видят, и описывать это. Ну и как-то работать дальше.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ

26 КОММЕНТАРИИ

  1. a info (tinyurl.com) person essentially assist to make significantly posts I’d state.
    This is the first time I frequented your web page and
    so far? I surprised with the analysis you made to create this actual post incredible.
    Magnificent task!

  2. you are in reality a excellent webmaster. The web site loading velocity is incredible.
    It kind of feels that you are doing any distinctive trick.
    Furthermore, The contents are masterwork.
    you have performed a great activity in this subject!

    Stop by my page: where info [tinyurl.com]

  3. An outstanding share! I’ve just forwarded this onto a colleague who has been doing a little research on this.
    And he actually bought me lunch due to the fact that I found it
    for him… lol. So allow me to reword this….
    Thank YOU for the meal!! But yeah, thanks for spending time to discuss this topic here on your internet site.

    Here is my site — cheap plane tickets

  4. Wow that was odd. I just wrote an really long comment but after I
    clicked submit my comment didn’t show up. Grrrr…
    well I’m not writing all that over again. Regardless, just wanted to
    say superb blog!

    Here is my webpage … plane ticket

  5. Heya just wanted to give you a brief heads up and let you
    know a few of the pictures aren’t loading correctly. I’m not sure why but I think its
    a linking issue. I’ve tried it in two different
    browsers and both show the same results.

    Check out my website — flights tickets cheap

  6. I really like your blog.. very nice colors & theme.
    Did you create this website yourself or did
    you hire someone to do it for you? Plz respond as I’m
    looking to design my own blog and would like to find out where u got this from.

    thanks a lot

    my site the cheapest flights possible

  7. Hello There. I discovered your weblog the use of msn. That is a really well written article.
    I’ll be sure to bookmark it and return to read more of your useful information. Thanks
    for the post. I’ll definitely comeback.

    my blog post: flight tickets cheap

  8. I’ll right away clutch your rss as I can’t in finding your
    email subscription link or e-newsletter service.

    Do you’ve any? Please permit me recognise in order that I may
    just subscribe. Thanks.

    Also visit my homepage :: gamefly

  9. I have been surfing online more than 2 hours today, yet I never found any interesting article like yours.

    It is pretty worth enough for me. Personally, if all site owners and bloggers made good content
    as you did, the net will be a lot more useful than ever before.

    Here is my page … gamefly

  10. Someone necessarily help to make significantly articles I might
    state. This is the very first time I frequented your
    website page and to this point? I amazed with the research
    you made to create this particular post extraordinary. Magnificent process!

    Here is my page; info a (http://tinyurl.com/y2lkcqzr)

  11. You actually make it seem so easy with your presentation but I
    find this matter to be really something which I think I would never understand.
    It seems too complicated and extremely broad for me.
    I’m looking forward for your next post, I will try to
    get the hang of it!

    Feel free to visit my page … our info; tinyurl.com,

  12. Definitely imagine that which you said. Your favourite reason seemed to be on the net the simplest thing to
    consider of. I say to you, I certainly get irked whilst folks consider issues that they just
    do not recognise about. You controlled to hit the nail upon the top and also defined out the whole thing with no need side-effects , other
    people can take a signal. Will likely be again to get more.
    Thank you

    Also visit my web-site; info when [tinyurl.com]

  13. I was recommended this web site by my cousin. I’m not sure whether this post is written by him
    as nobody else know such detailed about my trouble. You are wonderful!

    Thanks!

    Look into my web site info where — bit.ly

  14. Thanks for finally writing about > Этот безумный квантовый мир.
    Часть 1 | Научно популярный журнал
    SciencePop < Liked it!

    Also visit my blog post — info a — tinyurl.com

  15. Oh my goodness! Amazing article dude! Thank you so much, However I am encountering difficulties
    with your RSS. I don’t know why I cannot subscribe to it.
    Is there anyone else getting identical RSS problems?
    Anyone who knows the solution can you kindly respond? Thanks!!

    My web page … info and (tinyurl.com)

  16. You are info (tinyurl.com) so
    interesting! I don’t believe I have read through a single thing
    like this before. So great to discover someone with some unique thoughts
    on this topic. Really.. thanks for starting
    this up. This website is one thing that is required on the web, someone with
    a bit of originality!

  17. Hello, Neat post. There’s an issue along with your web site info
    in (tinyurl.com)
    internet explorer, might test this? IE nonetheless
    is the market leader and a huge part of other people will pass over your magnificent
    writing due to this problem.

  18. Definitely believe that which you said. Your favorite justification appeared to be on the internet the easiest thing to
    be aware of. I say to you, I definitely get annoyed while people consider worries that they plainly do not know about.
    You managed to hit the nail upon the top and also defined out the whole thing without having side effect ,
    people could take a signal. Will likely be back to get more.
    Thanks

    Here is my web site; info what (tinyurl.com)

  19. You have made some really good points there. I looked on the
    web for more information about the issue and found most people will go along with your views on this web site.

    My page :: what info (tinyurl.com)

  20. Этот безумный квантовый мир. Часть 1 | Научно популярный журнал SciencePop
    aykvmgktcy
    [url=http://www.g98cc65145834oz5a6uvt503ok1omcics.org/]uykvmgktcy[/url]
    ykvmgktcy http://www.g98cc65145834oz5a6uvt503ok1omcics.org/

  21. Этот безумный квантовый мир. Часть 1 | Научно популярный журнал SciencePop
    oghjpofsn http://www.giyjo60sku3b3641936bj40g6v020mvhs.org/
    [url=http://www.giyjo60sku3b3641936bj40g6v020mvhs.org/]uoghjpofsn[/url]
    aoghjpofsn

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Новые статьи