Эта статья представляет собой краткое изложение принципов квантовой механики из книги «Ткань Космоса.
Пространство, время и текстура реальности».
Принятие специальной и общей теории относительности требует отказа от ньютоновского абсолютного пространства и времени.
Представьте себе, что понимание «сейчас» в одной системе отличается от «сейчас» в другой, если они не движутся вместе с одинаковой скоростью.
При движении автомобиля на большой скорости часы в нем тикают с иной скоростью по сравнению с часами, которые стоят в стационарных домах.
Высоко в горах из-за деформации пространства-времени время течет быстрее, чем на земле далеко внизу, где объекты подвержены более сильной гравитации.
«Представьте» означает, что в нормальных условиях релятивистские эффекты очень малы и ими можно пренебречь.
По этой причине ошибочная концепция Ньютона хорошо работает в нашей повседневной жизни.
Поэтому, чтобы глубоко понять, как устроена Вселенная, необходимо использовать интеллект, компенсирующий недостатки наших органов чувств.
Другой революцией, произошедшей между 1900 и 1930 годами, стали исследования Планка и Эйнштейна, которые привели к формулировке квантовая механика.
Новая физика квантовой механики в полной мере проявляется на чрезвычайно малых расстояниях.
Мир согласно квантовой механике
Хотя концепции Ньютона и Эйнштейна кардинально различаются, в одном они сходятся – если каким-то образом знать состояние Вселенной сейчас (положение, направление и скорость каждой частицы), то с помощью законов физики можно предсказать состояние Вселенной где угодно в будущем и прошлом.Квантовая механика нарушает эту традицию.
Мы не можем одновременно знать точное положение и скорость частицы.
В лучшем случае можно лишь предсказать вероятность исхода эксперимента.
Квантовая механика проверена десятилетиями точных экспериментов.
Несмотря на принципиальные расхождения между теориями Ньютона и Эйнштейна о природе пространства и времени, они сходятся во мнении, что воздействовать через пространство можно множеством способов, но в любом случае, чтобы воздействовать на него, необходимо преодолеть пространство на расстоянии.
определенную скорость, не превышающую скорость света.
Это свойство называется Вселенной местонахождение .
Там указано, что можно влиять только на то, что находится рядом, то есть локально.
Однако серия экспериментов показала, что то, что мы делаем здесь, может быть тонко переплетено с чем-то, происходящим где-то там, без передачи чего-либо отсюда туда.
Эйнштейн назвал это свойство «кошмаром».
Однако это согласуется с законами квантовой механики и было экспериментально доказано.
Отсюда следует, что с пространством больше нельзя обращаться одинаково: пространство между ними, каким бы большим оно ни было, не гарантирует, что два объекта разделены, поскольку квантовая механика допускает запутанность, определенный тип связи, которая может существовать между их.
красный и синий
Чтобы почувствовать природу нелокальности квантовой механики, давайте проведем мысленный эксперимент. Давайте представим себе двух людей, например, Скалли и Малдера.Они расположены на значительном расстоянии друг от друга.
Они получают одинаковые посылки от неизвестного получателя и звонят друг другу.
В упаковке находятся светонепроницаемые титановые коробочки, пронумерованные от 1 до 1000. Согласно приложенному к упаковке письме, говорится, что в каждой коробочке находится шарик, который светится красным или синим в момент открытия крышки коробочки.
В письме также говорится, что перед открытием какой-либо коробки у шара есть выбор, каким цветом мигать, и он делает это случайным образом.
В письме также утверждается, что их ящики работают каким-то образом согласованно, существует какая-то загадочная связь, например, если Скалли открывает ящик с определенным номером, он мигает определенным цветом (красным или синим), то Малдер, открывая ящик с тот же номер, вы увидите вспышку того же цвета и наоборот. Скалли и Малдер начинают открывать коробки одну за другой и следят, чтобы шарики мигали красным или синим, но в коробках с одинаковыми номерами всегда находятся шарики одного цвета.
По логике вещей можно подумать, что коробки изначально были запрограммированы именно так.
Однако как-то это проанализировать нет возможности, так как шарик начнет светиться в результате любого действия, например, попытки разобраться, как устроен ящик, не открывая его.
Эта логика вполне научная, так как невозможно доказать обратное, что шарики на самом деле как-то согласованы, а не запрограммированы заранее.
Однако физики, изучающие квантовую механику, уже 80 лет заявляют, что Вселенная устроена именно так, как описано в письме из нашего мысленного эксперимента, и этому есть веские доказательства.
Например, согласно квантовой механике, частица может находиться в состоянии неопределенности относительно значения любой из ее характеристик (аналогично цвету шара перед открытием ящика), и только тогда, когда наблюдение (измерение) этой частицы производится ли случайным выбором значения наблюдаемой (измеренной) характеристики .
И это еще не все.
Также две частицы могут быть переплетены квантовыми эффектами, которые позволяют согласовать друг с другом случайный выбор значения определенной характеристики, даже если они расположены на больших расстояниях друг от друга.
Эйнштейн, который не был поклонником квантовой механики, не был согласен с этим «дальнодействующим» эффектом.
Он заявил, что если две частицы, находящиеся далеко друг от друга, имеют общие характеристики, то это не является свидетельством загадочной квантовой связи, мгновенно коррелирующей характеристики между частицами.
Эйнштейн утверждал, что выбор значений не случаен, частицы каким-то образом «запрограммированы» на проявление заранее определенных значений.
Например, он считал, что фотоны изначально наделены одинаковыми свойствами в момент испускания.
Однако в 1980-е гг.
странные квантовые эффекты были экспериментально подтверждены.
Результаты показали, что Эйнштейн ошибался.
Ученые долго (более 30 лет) не могли принять этот факт, но, разобравшись в особенностях квантовой механики, оказалось, что не все так сложно.
Отправка волн
Опыт работы с двумя щели показывают волновую природу света.Проведем аналогию с волнами на поверхности воды.
Если бросить камень в озеро, волны нарушат его плоскую поверхность, создав участки с немного более высоким и более низким уровнем воды.
Если встречаются две волны, то при наложении друг на друга возникает важное явление – интерференция.
Если гребни встречаются в одном месте (высшая точка волны), то они усиливают друг друга, следовательно, уровень воды в этом месте выше.
Аналогичная ситуация и с впадинами, которые усиливают друг друга и уровень воды падает еще больше.
Однако если гребень встречается с впадиной, то они компенсируют друг друга, а если высота гребня и впадины совпадают, то стирание будет полным.
На основе описанного выше принципа можно объяснить явление, возникающее при прохождении лазерного света через две щели.
Свет – это электромагнитная волна.
Проходя через две щели, он разделяется на две волны, идущие к экрану и интерферирующие друг с другом.
Если в какой-то точке экрана пересекаются два гребня или два впадины, то она выглядит ярче, а если пересекаются гребень и волна, то точка будет темной.
Рисунок 1. Интерференция света Более того, математический анализ показывает, что интерференционная картина применима к любому типу волн (световых, на поверхности воды, звуковых и т. д.).
В 1927 году аналогичный эксперимент был проведен с электронами, которые, казалось бы, не имеют ничего общего с волнами.
Результаты эксперимента оказались неожиданными.
Всем известно, что электрон – это частица.
Однако данные эксперимента дали интерференционную картину.
Поэтому пучок электронов, которые являются частицами, неожиданно должен также оказаться какой-то волной.
Однако если сравнить это с волнами на поверхности воды, то нет ничего удивительного.
Вода состоит из молекул, и когда группы молекул движутся согласованно, на макроскопическом уровне это выглядит как волна.
На первый взгляд это разумное предположение, но реальность оказывается более неожиданной.
Первоначально предполагалось, что электронный луч из пушки был непрерывным.
Но можно настроить пушку так, чтобы каждую секунду испускалось все меньше и меньше электронов.
Рано или поздно места столкновений каждого отдельного электрона, прошедшего через щель, будут зафиксированы.
По результатам этого эксперимента удалось увидеть, что даже отдельные электроны, проходящие через щели независимо друг от друга, создают интерференционную картину, что указывает на их волновую природу.
Если вернуться к молекулам воды, то это похоже на то, как если бы одна молекула могла вести себя как целая волна.
Но как это может произойти? Ведь движение волны представляется коллективным свойством, которым не обладают отдельные ее части.
Однако эксперименты ясно показали, что хотя электрон и является элементарной частицей, каждая из них в отдельности имеет волновой характер.
Вероятность и законы физики
Если электрон — это волна, то что именно колеблется? Выдвигались различные теории, например, что электрон рассредоточен в пространстве, но это было быстро опровергнуто.В 1927 году Макс Борн заявил, что волна — это нечто, с чем наука еще не сталкивалась.
Она волна вероятности .
Борн описал это так: : амплитуда волны в данной точке пространства пропорциональна вероятности обнаружения электрона в этой точке пространства.
.
Из этого следует, что электрон с большей вероятностью находится там, где амплитуда больше, и с меньшей вероятностью находится в областях с малой амплитудой.
Если амплитуда равна нулю, то электрон в этой области не будет обнаружен.
Рис.
2. Волна вероятности частицы На рисунке выше показана волна вероятности такой частицы, как электрон.
Он говорит вам, насколько вероятно найти электрон в определенных местах.
Однако волну вероятности никто никогда не видел и не увидит, согласно представлениям квантовой механики.
Такая картина была получена в результате решения математических уравнений.
Проверить теоретически выведенную волну вероятности можно следующим образом: воспроизвести эти условия в эксперименте и измерить, где появляется электрон, и повторить это много раз, записывая каждый результат. Однако это противоречит принципам Ньютона, которые гласят, что при идентичных экспериментах и начальных условиях результат должен быть одинаковым.
За восемьдесят лет было проведено множество экспериментов, и все результаты были с большой точностью предсказаны квантовой механикой.
Так, квантовая механика показала, что электрон — компонент материи, занимающий ничтожно малую площадь в пространстве, — также описывается волной, распространяющейся через всю Вселенную.
Этот корпускулярно-волновой дуализм присущ всем составным частям природы, даже протону и нейтрону.
В отличие от вероятности, которую люди привыкли использовать в повседневной жизни из-за недостатка информации или вычислительных мощностей, в квантовой механике она имеет иную природу.
Независимо от качества сбора данных или увеличения вычислительной мощности, лучшее, что можно сделать, — это предсказать только вероятность того или иного события.
В микромире правит вероятность.
Вкратце, интерференцию в двухщелевом эксперименте можно объяснить следующим образом.
Каждый электрон описывается волной вероятности.
При испускании электрона волна вероятности проходит через обе щели.
После чего они накладываются друг на друга.
Это приводит к тому, что где-то они усиливают друг друга, где-то отменяют друг друга.
Соответственно, область разбивается на части, куда с большей или меньшей вероятностью попадет электрон.
С течением времени, испуская электроны, таким образом возникает интерференционная картина.
Гейзенберг и принцип неопределенности
В грубой формулировке для большего понимания принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что физические характеристики объектов микромира можно разделить на списки А и Б.Знание первой характеристики из списка А ограничивает возможность установить значение первой характеристики.
из списка Б, то же самое касается второй характеристики из списка и т. д. Чем точнее вы знаете какую-либо характеристику из первого списка, тем менее точно вы можете знать значение соответствующей характеристики из другого списка.
Например, чем точнее вы знаете положение частицы, тем менее точно вы сможете рассчитать ее скорость и наоборот. Давайте посмотрим на картину, которую нарисовал сам Гейзенберг; он неполный и грубый, но полезен для интуитивного понимания.
При измерении положения любого объекта с ним нужно как-то взаимодействовать.
Например, мы воспринимаем окружающий мир благодаря свету, отраженному от предметов и попадающему на сетчатку.
Эти взаимодействия влияют не только на наблюдателя, но и на наблюдаемый объект, положение которого определяется.
Даже свет, отражающийся от объекта, немного его отталкивает. На макроуровне это не заметно.
Однако когда свет сталкивается с другой элементарной частицей, например с электроном, он оказывает на нее значительное влияние.
Чем точнее происходит измерение, тем более сфокусированным и мощным должен быть луч света и тем сильнее он влияет на характеристики движения электрона и, соответственно, неизбежно ухудшается эксперимент. Этот принцип неопределенности применим ко всему, но по-настоящему значимым он становится только в микрокосме.
Такое объяснение может создать впечатление, что неопределенность возникает только в случае вмешательства в происходящее.
Это неправда.
Как показано на изображении ниже, волна вероятности с точно повторяющейся последовательностью гребней и впадин соответствует частице с точно определенной скоростью.
Но поскольку все гребни и впадины одинаковы, положение частицы неопределенно.
С равной вероятностью это могло быть где угодно.
Так что неопределенность зависит от фундаментальных свойств волны: они распространены в пространстве.
Рис.
3. Волна вероятности с точно повторяющейся последовательностью одинаковых гребней и впадин.
«Эйнштейн, неопределенность и вопрос реальности»
Эйнштейн не согласился с тем, что принцип неопределенности отражает саму реальность.В 1935 г.
он и его коллеги Подольский и Розен (далее для краткости «ПР») решили поднять эту проблему в своей статье.
Целью статьи в «ПР» было показать, что, несмотря на точные предсказания результатов квантовой механики, она не является последним словом в микромире.
Если все-таки каждый объект имеет определенную скорость и положение, но квантовая механика не позволяет определить их одновременно, то она дает лишь частичное описание Вселенной.
«PR» применил следующий подход. В некоторых хорошо изученных физических процессах две частицы с одинаковыми характеристиками могут вылететь из одного и того же места, например, если одна частица распадается на две с одинаковыми массами, то скорости этих частиц будут равны и противоположны.
Их положение также будет связано тестом.
«ПР» попробовал использовать эти соотношения и предложил: представьте, что, измерив положение правой частицы, можно косвенно узнать положение левой.
И это не запрещено квантовой механикой, поскольку никаких воздействий на левую частицу нет. То же самое касается скорости.
«ПР» пришел к выводу, что частица, летящая влево, в любой момент времени имеет определенное положение и скорость.
Таким образом, вывод МПР показывает, что квантовая механика не полностью описывает реальность.
Частицы имеют определенное положение и скорость, но принцип неопределенности не позволяет их измерять одновременно.
Проведя этот эксперимент, из-за введенного воздействия невозможно было бы измерить одновременно скорость и положение, поэтому противоречия с принципом неопределенности нет. «PR» это понял, и в этом весь смысл.
Они хотели показать, что каждая частица имеет определенное положение и скорость, даже если они не определены и никогда невозможно будет узнать их точное значение.
Такие характеристики называются скрытыми параметрами.
Не бывает дыма без огня
К чему мы пришли? Согласно квантовой механике, частица не может одновременно иметь определенные значения, находящиеся по разные стороны линии, проведенной принципом неопределенности, например, положение и скорость.Это похоже на то, как если бы частицы находились в состоянии квантового неопределенности, плавая в размытой, аморфной, вероятностной смеси всех возможностей.
Эта картина реальности отличается от той, которую рисовали физики-классики.
Эйнштейн был скептиком по отношению к квантовой механике и вместе со своими коллегами пытался использовать вероятность в квантовой механике как оружие против самой этой теории.
ЭПР утверждал, что все частицы имеют определенные характеристические значения в любой момент времени, а невозможность определить их одновременно и с точным значением указывает лишь на то, что теория квантовой механики неполна.
Некоторые считают заявления ЭPR метафизикой.
Как сказал Паули, если невозможно реально измерить характеристики, запрещенные квантовой неопределенностью, то какое имеет значение, если они, возможно, существуют на каком-то скрытом уровне реальности? Однако Джон Белл открыл то, что ускользнуло от Эйнштейна, Бора и других выдающихся физиков XX века.
Он предупредил, что даже если некоторые вещи невозможно измерить явно, все же есть способ проверить их экспериментально.
Если ЭPR правы, то результаты, полученные двумя широко разнесенными детекторами, измеряющими определенные характеристики частиц, будут совпадать более чем на 50%.
Белл понял это в 1964 году, но провести этот эксперимент в то время было технически невозможно.
Оно появилось в 1970-х годах.
В результате после проведения множества тонких экспериментов, в которых настройки детектора менялись случайным образом и независимо друг от друга, выяснилось, что показания детектора не совпадают более чем в 50% случаев.
Из этого следует, что РПР все-таки ошиблись.
Но где они ошиблись? «Рассуждения ПР основывались на том, что определенный объект никоим образом не влияет на то, что происходит с другим удаленным от него объектом.
Однако эксперименты приводят к выводу, что удаленный объект там может чувствовать, что происходит с другим объектом здесь, даже если между этими местами ничего не движется, даже если ничто не может преодолеть расстояние между ними.
Это выглядит совершенно неестественно.
Но квантовая запутанность доказана вне всякого сомнения.
Если два фотона запутаны, то измерение вращения любого фотона вокруг одной оси «заставляет» другой, удаленный фотон, принять тот же спин вокруг той же оси.
Запутанность и специальная теория относительности (СТО)
Когда дело доходит до путаницы, такие слова, как «силы» или «силы» используются лишь для интуитивного понимания, они не передают точного смысла происходящего.В противном случае это означало бы смертный приговор для СТО.
Если бы в ходе эксперимента что-то передавалось от фотона к фотону, то это «что-то» мгновенно преодолело бы пространство между фотонами, что противоречило бы существованию ограничения скорости, установленного СТО.
Если объяснить это на интуитивном уровне, то хотя фотоны и отодвинулись друг от друга и стали пространственно разделены, они связаны общей историей, они образуют связь одной физической системы.
Фотоны настолько тесно связаны, что их можно и нужно считать частями одного физического объекта.
Поэтому.
Что акт измерения одного объекта влияет на этот объект, то есть влияет на оба фотона одновременно.
Эта связь до сих пор остается неясной.
Когда СТО говорит, что ничто не может двигаться быстрее света, это относится к материи и энергии.
Но в случае запутанности нет видимой материи или энергии, преодолевающей расстояние между фотонами, поэтому нет ничего, чью скорость нужно было бы оценивать.
Полностью ли разрешен потенциальный конфликт между нелокальностью квантовой механики и СТО? Вероятно, да.
Многих физиков это устраивает, но у других возникает ощущение, что эта история еще не достигла своего окончательного завершения.
Итак, хотя с точки зрения большинства учётов квантовой механики запутанные частицы и специальная теория относительности гармонично сосуществуют друг с другом, некоторые физики и философы считают, что вопрос об их взаимосвязи всё ещё остаётся открытым.
Как показывает история, тонкие фундаментальные проблемы иногда сеют семена будущих революций.
И только время покажет, будет ли так в данном случае.
Теги: #Популярная наука #физика #конспект
-
Тимлид, Или Туда И Обратно
19 Oct, 24 -
Генетические Алгоритмы
19 Oct, 24 -
Frontier — Фреймворк Для Php 5.1
19 Oct, 24 -
Хабрафутбол-4: Старт
19 Oct, 24
