1803 m. Thomas Youngas nukreipė šviesos spindulį į nepermatomą ekraną su dviem plyšiais. Vietoj laukiamų dviejų šviesos juostų projekcinis ekranas jis matė kelias juostas, tarsi iš kiekvienos plyšio būtų dviejų šviesos bangų interferencija (superpozicija). Tiesą sakant, būtent šiuo momentu gimė kvantinė fizika, tiksliau, jos esmė. XX ir XXI amžius buvo parodyta, kad ne tik šviesa, bet bet kuri pavienė elementarioji dalelė ir net kai kurios molekulės elgiasi kaip banga, kaip kvantai, tarsi vienu metu pereitų per abu plyšius. Tačiau jei prie plyšių pastatysite jutiklį, kuris nustato, kas tiksliai nutinka dalelei šioje vietoje ir pro kurią konkretų plyšį ji vis tiek praeina, tada projekciniame ekrane atsiranda tik dvi juostelės, tarsi stebėjimo faktas (netiesioginė įtaka) sunaikina bangų funkciją ir objektas elgiasi kaip materija. ( vaizdo įrašą)

Heisenbergo neapibrėžtumo principas yra kvantinės fizikos pagrindas!

Dėl 1927 m. atradimo tūkstančiai mokslininkų ir studentų pakartoja tą patį paprastą eksperimentą, šviečiant lazerio spindulį per siaurėjantį plyšį. Logiškai mąstant, matomas lazerio pėdsakas projekciniame ekrane vis siaurėja, mažėjant tarpui. Tačiau tam tikru momentu, kai plyšys tampa pakankamai siauras, lazerio dėmė staiga pradeda platėti ir platėti, driekiasi per visą ekraną ir pritemsta, kol plyšys išnyksta. Tai akivaizdžiausias kvintesencijos įrodymas Kvantinė fizika- Wernerio Heisenbergo, puikaus teorinio fiziko, neapibrėžtumo principas. Jo esmė ta, kad kuo tiksliau nustatome vieną iš porinių kvantinės sistemos charakteristikų, tuo neapibrėžtesnė tampa antroji charakteristika. IN tokiu atveju, kuo tiksliau nustatome lazerinių fotonų koordinates su siaurėjančiu plyšiu, tuo neapibrėžtesnis tampa šių fotonų impulsas. Makrokosmose taip pat galime tiksliai išmatuoti arba tikslią skrendančio kardo vietą jį pakeldami, arba jo kryptį, bet ne tuo pačiu metu, nes tai prieštarauja vienas kitam ir trukdo vienas kitam. ( , vaizdo įrašą)

Kvantinis superlaidumas ir Meisnerio efektas

1933 metais Walteris Meissneris atrado įdomų reiškinį kvantinėje fizikoje: superlaidininke, atvėsintame iki minimalios temperatūros, magnetinis laukas pasislenka už savo ribų. Šis reiškinys vadinamas Meisnerio efektu. Jei ant aliuminio (ar kito superlaidininko) uždedamas paprastas magnetas ir atšaldomas skystu azotu, magnetas pakils aukštyn ir pakibs ore, nes „matys“ savo tokio paties poliškumo magnetinį lauką, pasislinkusį nuo aušinto. aliuminio, o tos pačios magnetų pusės atstumia . ( , vaizdo įrašą)

Kvantinis supertakumas

1938 m. Piotras Kapitsa atvėsino skystą helio temperatūrą iki artimos nuliui ir atrado, kad medžiaga prarado klampumą. Šis reiškinys kvantinėje fizikoje vadinamas superskysčiu. Jei ant stiklinės dugno bus pilamas atvėsęs skystas helis, jis vis tiek ištekės iš jos palei sienas. Tiesą sakant, tol, kol helis yra pakankamai atvėsęs, jo išsiliejimui nėra jokių apribojimų, neatsižvelgiant į talpyklos formą ar dydį. XX amžiaus pabaigoje ir XXI amžiaus pradžioje supertakumas tam tikromis sąlygomis buvo aptiktas ir vandenilyje bei įvairiose dujose. ( , vaizdo įrašą)

Kvantinis tunelis

1960 metais Ivoras Jayeveris atliko elektrinius eksperimentus su superlaidininkais, atskirtais mikroskopine nelaidžio aliuminio oksido plėvele. Paaiškėjo, kad, priešingai nei fizika ir logika, kai kurie elektronai vis tiek praeina pro izoliaciją. Tai patvirtino teoriją apie kvantinio tunelio efekto galimybę. Tai taikoma ne tik elektrai, bet ir bet kokioms elementarioms dalelėms, jos pagal kvantinę fiziką taip pat yra bangos. Jie gali pereiti kliūtis, jei šių kliūčių plotis yra mažesnis už dalelės bangos ilgį. Kuo siauresnė kliūtis, tuo dažniau pro ją prasiskverbia dalelės. ( , vaizdo įrašą)

Kvantinis įsipainiojimas ir teleportacija

1982 m. fizikas Alain Aspe, būsimasis laureatas Nobelio premija, nusiuntė du vienu metu sukurtus fotonus į daugiakrypčius jutiklius jų sukimuisi (poliarizacijai) nustatyti. Paaiškėjo, kad vieno fotono sukimosi matavimas akimirksniu paveikia antrojo fotono sukimosi padėtį, kuri tampa priešinga. Taigi buvo įrodyta elementariųjų dalelių kvantinio įsipainiojimo ir kvantinės teleportacijos galimybė. 2008 metais mokslininkams pavyko išmatuoti kvantinių įsipainiojusių fotonų būseną 144 kilometrų atstumu ir jų sąveika vis dar buvo momentinė, tarsi jie būtų toje pačioje vietoje arba nebūtų erdvės. Manoma, kad jei tokie kvantiniai įsipainioję fotonai atsidurs priešingose ​​visatos dalyse, jų sąveika vis tiek vyks akimirksniu, nors šviesa tą patį atstumą nukeliauja dešimtis milijardų metų. Įdomu, bet, pasak Einšteino, fotonams, keliaujantiems šviesos greičiu, taip pat nėra laiko. Ar tai sutapimas? Ateities fizikai taip nemano! ( , vaizdo įrašą)

Kvantinis Zeno efektas ir laiko sustojimas

1989 metais mokslininkų grupė, vadovaujama Davido Winelando, stebėjo berilio jonų perėjimo tarp atominių lygių greitį. Paaiškėjo, kad pats jonų būsenos matavimo faktas sulėtino jų perėjimą tarp būsenų. XXI amžiaus pradžioje panašiame eksperimente su rubidžio atomais buvo pasiektas 30 kartų sulėtėjimas. Visa tai yra kvantinio Zeno efekto patvirtinimas. Jo prasmė ta, kad pats nestabilios dalelės būsenos matavimo faktas kvantinėje fizikoje sulėtina jos skilimo greitį ir teoriškai gali jį visiškai sustabdyti. ( , video angliškai)

Kvantinis trintukas su atidėtu pasirinkimu

1999 metais Marlano Scali vadovaujama mokslininkų komanda nukreipė fotonus per du plyšius, už kurių stovėjo prizmė, kuri kiekvieną atsirandantį fotoną pavertė pora kvantinių įsipainiojusių fotonų ir skyrė juos dviem kryptimis. Pirmasis išsiuntė fotonus į pagrindinį detektorių. Antroji kryptis siuntė fotonus į 50% atšvaitų ir detektorių sistemą. Paaiškėjo, kad jei antrosios krypties fotonas pasiekė detektorius, kurie nustatė plyšį, iš kurio jis sklinda, tai pagrindinis detektorius užfiksavo savo suporuotą fotoną kaip dalelę. Jei fotonas iš antrosios krypties pasiekė detektorius, kurie neaptiko plyšio, iš kurio jis spinduliavo, tada pagrindinis detektorius užfiksavo savo suporuotą fotoną kaip bangą. Ne tik vieno fotono matavimas atsispindėjo jo kvantinėje susipynusioje poroje, bet tai atsitiko ir už atstumo ir laiko ribų, nes antrinė detektoriaus sistema fotonus užfiksavo vėliau nei pagrindinė, tarsi ateitis nulemtų praeitį. Manoma, kad tai pats neįtikėtiniausias eksperimentas ne tik kvantinės fizikos, bet ir viso mokslo istorijoje, nes jis griauna daugelį įprastų pasaulėžiūros pagrindų. ( , vaizdo įrašas anglų kalba)

Kvantinė superpozicija ir Šriodingerio katė

2010 m. Aaronas O'Connellas į nepermatomą vakuuminę kamerą įdėjo mažą metalinę plokštelę, kurią atvėsino iki beveik absoliutaus nulio. Tada jis suteikė lėkštei impulsą, kad ji vibruotų. Tačiau padėties jutiklis parodė, kad plokštė vibruoja ir tuo pačiu metu tyli, o tai tiksliai atitiko teorinę kvantinę fiziką. Tai buvo pirmas kartas, kai buvo įrodytas superpozicijos principas ant makroobjektų. Izoliuotomis sąlygomis, kai nėra sąveikos tarp kvantinių sistemų, objektas vienu metu gali būti neribotame skaičiuje bet kokių galimų pozicijų, tarsi jis nebebūtų materialus. ( , vaizdo įrašą)

Kvantinė Češyro katė ir fizika

2014 m. Tobias Denkmair ir jo kolegos padalijo neutronų pluoštą į du pluoštus ir atliko sudėtingų matavimų seriją. Paaiškėjo, kad tam tikromis aplinkybėmis neutronai gali būti viename pluošte, o jų magnetinis momentas – kitame pluošte. Taip pasitvirtino Češyro katės šypsenos kvantinis paradoksas, kai dalelės ir jų savybės, mūsų suvokimu, gali būti skirtingos dalys erdvė, kaip šypsena atskirai nuo katės pasakoje „Alisa stebuklų šalyje“. Dar kartą kvantinė fizika pasirodė paslaptingesnė ir nuostabesnė už bet kokią pasaką! ( , video angliškai.)

Ačiū, kad skaitėte! Dabar jūs tapote šiek tiek protingesni ir tai daro mūsų pasaulį šiek tiek šviesesnį. Pasidalinkite šio straipsnio nuoroda su draugais ir pasaulis taps dar geresne vieta!

Iš karto perspėju: ši straipsnių serija labai skiriasi nuo tradicinės kvantinės mechanikos įvado.

Pirmiausia, aš Ne Cituosiu Richardą Feynmaną, kuris kartą pareiškė, kad „gerai nesuprasti kvantinės mechanikos, nes niekas jos nesupranta“. Kažkada tai buvo tiesa, bet laikai keičiasi.

Nepasakysiu: „Kvantinės mechanikos neįmanoma suprasti, tereikia prie jos priprasti“. (Ši citata priskiriama Johnui von Neumannui; jis gyveno tais tamsiais laikais, kai niekas ir tikrai nesuprato kvantinės mechanikos.)

Negalite baigti savo paaiškinimo žodžiais „Jei kažkas neaišku, taip ir turi būti“. Ne, tai tiesa neturi būti. Galbūt problema yra tavyje. Galbūt tai tavo mokytojas. Bet kokiu atveju tai būtina nuspręsti, o ne sėdėti ir raminti savęs, kad visi kiti taip pat nieko nesupranta.

Nepasakysiu, kad kvantinė mechanika yra kažkas keista, paini arba neprieinamas žmogaus supratimui. Taip, tai prieštarauja intuicijai, bet tai yra tik mūsų intuicijos problema. Kvantinė mechanika atsirado gerokai prieš Saulę, Žemės planetą ar žmonių civilizaciją. Ji dėl tavęs nepasikeis. Tiesą sakant, jo nėra atgrasančius faktus, yra tik vienas teorijų, atgrasytų faktų; ir jei teorija nesutampa su praktika, tai nedaro jai garbės.

Visada verta realybę vertinti kaip visiškai įprastą dalyką. Nuo laikų pradžios Visatoje to nebuvo Nieko neįprastas.

Mūsų taikinys- išmokti jaustis kaip namuose šiame kvantiniame pasaulyje. Nes mes jau namie.

Visoje šioje serijoje kalbėsiu apie kvantinę mechaniką kaip pati įprastiausia teorijos; o kur intuityvi pasaulio idėja su ja nesutampa, aš išjuoksiu intuicija už neatitikimą tikrovei.

Antra, nesiruošiu vadovautis tradicine kvantinės mechanikos studijų tvarka, kopijuoju tvarką, kuria ji buvo atrasta.

Paprastai viskas prasideda nuo pasakojimo, kad materija kartais elgiasi kaip mažų biliardo kamuoliukų krūva, susitrenkianti vienas į kitą, o kartais kaip bangos baseino paviršiuje. Kartu pateikiami keli pavyzdžiai, iliustruojantys abu materijos požiūrius.

Anksčiau, kai visa tai buvo tik užuomazgos ir niekas neturėjo jokio supratimo apie matematinius fizikos pagrindus, mokslininkai rimtai tikėjo, kad viskas sudaryta iš atomų, kurie elgiasi panašiai kaip biliardo kamuoliukai. Ir tada jie pradėjo tikėti, kad viskas susideda iš bangų. Ir tada jie grįžo prie biliardo kamuolių. Visa tai lėmė tai, kad mokslininkai pagaliau susipainiojo ir tik po kelių dešimtmečių – iki XIX amžiaus pabaigos – pavyko viską sustatyti į savo vietas.

Jei taikysite tai istoriškai tikslūs požiūris į šiuolaikinių studentų mokymą (kaip jie daro dabar), jiems natūraliai nutiks tas pats, kas nutiko ankstyviesiems mokslininkams, būtent - jie papuls į visišką ir visišką sumaištį. Papasakoti fizikos studentams apie bangų ir dalelių dvilypumą yra tas pats, kas pradėti chemijos kursą su paskaita apie keturis elementus.

Elektronas nėra panašus neigi ant biliardo kamuolio, neigi ant vandenyno bangos keteros. Elektronas yra visiškai kitoks objektas matematiniu požiūriu, ir toks jis išlieka bet kokiomis aplinkybėmis. Ir jei jūs ir toliau trokštate apsvarstyti jį abu, kaip jums labiau patinka, Perspėju: jei persekioji du kiškius, irgi nepagausi.

Tai ne vienintelė priežastis, kodėl nėra istorinės tvarkos geriausias pasirinkimas. Sekime hipotetinį procesą Nuo pat pradžių: žmonės pastebi, kad juos supa kiti gyvūnai - gyvulių viduje, pasirodo, yra organų - o organai, gerai įsižiūrėjus, susideda iš audinių - po mikroskopu matosi, kad audiniai susideda iš ląstelių - ląstelės susideda iš baltymai ir kiti cheminiai junginiai - cheminiai junginiai yra sudaryti iš atomų – ​​atomai sudaryti iš protonų, neutronų ir elektronų – o pastarieji yra daug paprastesni ir suprantamesni nei gyvūnai, su kuriais viskas prasidėjo, bet buvo atrasti po dešimčių tūkstančių metų.

Fizikos mokytis nepradedi nuo biologijos. Tai kodėl tada reikia pradėti nuo laboratorinių eksperimentų ir jų rezultatų aptarimo, kurie net ir paprasčiausių eksperimentų atveju yra daugelio sudėtingų ir sudėtingų procesų rezultatas?

Viena vertus, galiu suprasti, kodėl eksperimentavimas yra svarbiausias. Mes apie fizika sakome juk.

Kita vertus, suteikti studentams sudėtingą matematinį aparatą tik tam, kad jie galėtų analizuoti paprastą eksperimentą to jau per daug. Pavyzdžiui, programuotojai pirmiausia mokomi pridėti du kintamuosius, o tik po to – rašyti kelių gijų programas; ir nerūpi, kad pastarieji yra „arčiau Tikras gyvenimas».

Klasikinė mechanika nėra aiškiai išplaukianti iš kvantinės mechanikos. Be to, klasikinė mechanika yra daug pažangesnė aukštas lygis. Palyginkite atomus ir molekules su kvarkais: mokslui žinoma milijonai cheminių medžiagų, šimtas cheminiai elementai, ir tik šeši kvarkai. Geriau pirmiausia suprasti paprastus dalykus, o tik tada pereiti prie sudėtingų.

Pagaliau, nagrinėsiu kvantinę mechaniką iš griežtai realistinės pozicijos – mūsų pasaulis yra kvantinis, mūsų lygtys apibūdina teritoriją, o ne jos žemėlapį, o mums pažįstamas pasaulis netiesiogiai egzistuoja kvantiniame pasaulyje. Jei tarp mano skaitytojų yra antirealistų - Prašau, palaikykite savo komentarus. Kvantinę mechaniką daug sunkiau suprasti ir įsivaizduoti, jei abejojate jos pagrįstumu. Apie tai plačiau pakalbėsiu viename iš šių straipsnių.

Manau, kad požiūriui, kurį pateiksiu šiame įvade, pritaria dauguma fizikų teorinių. Tačiau vis tiek turėtumėte žinoti, kad tai nėra vienintelis galimas požiūris, ir nemaža dalis mokslininkų abejoja realistinės pozicijos pagrįstumu. Nors į jokias kitas teorijas nekreipiu dėmesio dabar, jaučiu pareigą paminėti, kad jie Yra.

Apibendrinant, mano tikslas yra išmokyti jus mąstyti kaip kilęs iš kvantinio pasaulio, ne kaip nenorintis turistas.

Tvirtai suimkite realybę. Mes pradedame.

Konfigūracijos ir amplitudės

Pažvelkite į pav. 1. Taške A yra pusiau pasidabruotas veidrodis, o taškuose B Ir C- du fotonų detektoriai.

Šis paprastas eksperimentas kažkada privertė mokslininkus krapštyti galvą. Faktas yra tas, kad puse atvejų fotonas, išleistas link veidrodžio, buvo užfiksuotas pirmuoju detektoriumi, o puse - antruoju. O mokslininkai – atkreipkite dėmesį, pasiruoškite juoktis – manė, kad veidrodis arba perdavė fotoną, arba jį atspindėjo.

Cha-ha-ha, įsivaizduokite veidrodį, kuris gali pasirinkti, leisti fotoną ar ne! Net jei įsivaizduoji, vis tiek nedaryk – kitaip susipainiosi kaip tie mokslininkai. Abiem atvejais veidrodis elgiasi lygiai taip pat.

Jei pabandytume rašyti kompiuterio programa, imituojantšis eksperimentas (o ne tik rezultato numatymas), jis atrodytų maždaug taip...

Programos pradžioje deklaruojame kintamąjį, kuris saugo tam tikrą matematinį objektą - konfigūracija. Tai yra tam tikras pasaulio būklės aprašymas - šiuo atveju „vienas fotonas skrenda į tašką A“.

Tiesą sakant, konfigūracija apibūdinama kompleksiniu skaičiumi (priminsiu, kad kompleksiniai skaičiai turi formą (a + b i), kur yra a ir b realūs skaičiai, A i- menamasis vienetas, t.y. toks skaičius, kad i² = -1). Mūsų konfigūracija „fotonas skrenda į tašką A“ taip pat atitinka tam tikrą skaičių. Tebūnie (-1 + 0 i). Toliau mes vadinsime numerį, atitinkantį konfigūraciją amplitudė.

Pristatykime dar dvi konfigūracijas: „fotonas skrenda iš A tiksliai B“ ir „fotonas skrenda iš A tiksliai C“ Mes dar nežinome šių konfigūracijų amplitudės; jiems bus priskirtos reikšmės programos vykdymo metu.

Amplitudes galima apskaičiuoti pritaikius taisyklę, pagal kurią veidrodis veikia pradinei konfigūracijai. Nesigilindami į smulkmenas galime daryti prielaidą, kad taisyklė atrodo taip: „fotonui praskriejus padauginkite iš 1; padauginti iš i kai fotonas atsispindi“. Taikykime taisyklę: konfigūracijos „fotonas skrenda“ amplitudė B» lygu (-1 + 0 i) × i = (0 + -i), o konfigūracijos amplitudė „fotonas skrenda į C» lygu (-1 + 0 i) × 1 = (-1 + 0 i). Kitos konfigūracijos pav. 1 nebėra, taigi, baigėme.

Iš esmės „pirmasis detektorius aptinka fotoną“ ir „antrasis detektorius aptinka fotoną“ galėtumėte laikyti atskiromis konfigūracijomis, bet tai nieko nekeičia; jų amplitudės bus atitinkamai lygios dviejų ankstesnių konfigūracijų amplitudėms. (Įjungta pats iš tikrųjų juos vis tiek reikia padauginti iš koeficiento, lygaus atstumui nuo A detektoriams, bet tik manysime, kad visi atstumai mūsų eksperimente yra vienybės veiksniai.)

Taigi čia yra galutinė programos būsena:

• „Fotonas skrenda į A": (-1 + 0 i)
• „Fotonas skrenda iš A V B»: (0 + - i)
• „Fotonas skrenda iš A V C": (-1 + 0 i)

Ir galbūt:

• „Suveikė pirmasis detektorius“: (0 + - i)
• „Suveikė antrasis detektorius“: (-1 + 0 i)

Žinoma, nesvarbu, kiek kartų vykdysime programą, galutinė būsena išliks ta pati.
Dabar dėl gana sudėtingų priežasčių, kurių kol kas nesigilinsiu, nėra paprastas būdas išmatuoti konfigūracijos amplitudę. Programos būsena nuo mūsų slepiama.

Ką daryti?

Nors negalime tiesiogiai išmatuoti amplitudės, kažkas mes turime – būtent magišką matavimo dalyką, kuris gali mums pasakyti konfigūracijos amplitudės modulio kvadratą. Kitaip tariant, amplitudei (a + b i) daiktas atsakys skaičiumi (a² + b²).

Tiksliau būtų sakyti, kad stebuklingas dalykas tik randa požiūris modulių kvadratai vienas kitam. Tačiau net ir šios informacijos pakanka suprasti, kas vyksta programos viduje ir pagal kokius įstatymus ji veikia.

Naudodamiesi „gizmo“ galime nesunkiai išsiaiškinti, kad „suveikė pirmasis detektorius“ ir „suveikė antrasis detektorius“ modulių kvadratai yra lygūs. Ir atlikę keletą sudėtingesnių eksperimentų, taip pat galime sužinoti pačių amplitudių santykį - i iki 1.

Beje, koks tai stebuklingas matavimo daiktas?

Na, o kai tokie eksperimentai atliekami realiame gyvenime, stebuklinga yra tai, kad eksperimentas atliekamas porą tūkstančių kartų ir tiesiog suskaičiuojama, kiek kartų fotonas atsidūrė pirmame detektoriuje, o kiek – antrajame. . Šių verčių santykis bus amplitudės modulių kvadratų santykis. Kodėl taip ir bus – klausimas kitas, daug sudėtingesnis. Tuo tarpu galite naudoti dalyką nesuprasdami, kaip ir kodėl jis veikia. Viskam savas laikas.

Galite paklausti: „Kam iš viso reikalinga kvantinė teorija, jei jos prognozės sutampa su „biliardo“ teorijos prognozėmis? Yra dvi priežastys. Pirma, realybe, kad ir ką galvotum, vis tiek paklūsta kvantiniams dėsniams – amplitudėms, kompleksiniams skaičiams ir visa kita. Ir antra, „biliardo“ teorija neveikia bet kokiam daugiau ar mažiau sudėtingam eksperimentui. Nori pavyzdžio? Prašau.

Fig. 2 taškuose galite pamatyti du veidrodžius B Ir C, ir du pusiau veidrodžiai taškuose A Ir D. Vėliau paaiškinsiu, kodėl segmentas DE nubrėžta punktyrine linija; Tai niekaip neturės įtakos skaičiavimams.

Taikykime jau žinomas taisykles.

Pradžioje turime konfigūraciją „fotonas skrenda į A“, jo amplitudė yra (-1 + 0 i).

Skaičiuojame konfigūracijų amplitudes „iš kurios skrenda fotonas A V B“ ir „fotonas skrenda iš A V C»:

• „Fotonas skrenda iš A V B» = i× "fotonas skrenda į A» = (0 + - i)
• „Fotonas skrenda iš A V C" = 1 × " fotonas skrenda į A» = (-1 + 0 i)

Tai intuityviai aišku įprastas veidrodis elgiasi kaip pusė veidrodžio: visada atspindi fotoną, visada daugina amplitudę iš i. Taigi:

• „Fotonas skrenda iš B V D» = i× "fotonas skrenda iš A V B" = (1 + 0 i)
• „Fotonas skrenda iš C V D» = i× "fotonas skrenda iš A V C» = (0 + - i)

Svarbu suprasti, kad „nuo B V D“ ir „iš C V D“ – tai du skirtingos konfigūracijos. Jūs negalite tiesiog parašyti „fotonas skrenda į D“, nes iš kampo, kuriuo ateina šis fotonas D, priklauso nuo to, kas jam nutiks toliau.

• B V D“, lygus (1 + 0 i):
  • padaugintas iš i, ir rezultatas (0 + i D V E»
  • padauginta iš 1, ir rezultatas yra (1 + 0 i) skaičiuojamas konfigūracijos „fotonas skrenda iš D V F»
• konfigūracijos amplitudė „fotonas skrenda iš C V D“, lygus (0 + – i):
  • padaugintas iš i, ir rezultatas (1 + 0 i) skaičiuojamas konfigūracijos „fotonas skrenda iš D V F»
  • padauginama iš 1 ir gaunamas rezultatas (0 + - i) skaičiuojamas konfigūracijos „fotonas skrenda iš D V E»

• „Fotonas skrenda iš D V E» = (0 + i) + (0 + -i) = (0 + 0i) = 0
• „Fotonas skrenda iš D V F" = (1 + 0 i) + (1 + 0i) = (2 + 0i)

Amplitudės modulių kvadratų santykis yra nuo 0 iki 4; Iš skaičiavimų matyti, kad pirmasis detektorius iš viso neveiks! Štai kodėl segmentas DE ir buvo parodyta kaip punktyrinė linija Fig. 2.

Jei pusiau veidrodžiai fotoną atspindėtų arba perduotų atsitiktinai, abu detektoriai reaguotų maždaug tokiu pačiu dažniu. Tačiau tai nesutampa su eksperimento rezultatais. Tai viskas.
Galite prieštarauti: „Bet tai dar ne viskas! Tarkime, pavyzdžiui, kai veidrodis atspindi fotoną, jam atsitinka kažkas taip, kad antrą kartą jis neatsispindės? Ir atvirkščiai, kai veidrodis praeina pro fotoną, kitą kartą jis turės atsispindėti.

Pirma, Occam skustuvas. Nėra prasmės sugalvoti sudėtingą paaiškinimą, jei paprastas jau egzistuoja (jei, žinoma, atsižvelgsime į kvantinę mechaniką paprastas...) Ir, antra, galiu sugalvoti kitą patirtį, kuri paneigs šią alternatyvią teoriją.

Tarp jų padėkite nedidelį nepermatomą objektą B Ir D, kad konfigūracijos amplitudė „fotonas skrenda iš B V D“ visada buvo lygus nuliui.

Dabar konfigūracijos amplitudė „fotonas skrenda iš D V F» lygu (1 + 0 i), o konfigūracijos amplitudė „fotonas skrenda iš D V E» - (0 + - i). Modulių kvadratai lygūs 1. Tai reiškia, kad puse atvejų suveiks pirmasis detektorius, o puse – antrasis.

Tai neįmanomas paaiškinkite, jei darome prielaidą, kad fotonas yra mažas biliardo kamuoliukas, kuris atsispindi nuo veidrodžių.

Esmė ta, kad amplitudė negali būti laikoma tikimybe. Tikimybių teorijoje, jei įvykis X gali įvykti arba neįvykti, tada įvykio tikimybė Z lygus P( Z|X)P( X) + P( Z|¬ X)P(¬ X), kur visos tikimybės yra teigiamos. Jei žinote, kad tikimybė Z su sąlyga, kad X atsitiko yra 0,5, o tikimybė X- 0,3, tada bendra tikimybė Z bent 0,15, nepaisant apie tai, kas bus, jei X neįvyks. Neigiamos tikimybės nėra. Galimi ir neįmanomi įvykiai negali panaikinti vienas kito. Bet amplitudės gali.

Štai pavyzdys negerai galvodamas: „Fotonas skrenda į B arba viduje C, bet jis galėtų skristi skirtingai, ir tai turi įtakos tikimybei, kad jis įskris E…»

Įvykiai, kurie Ne atsitiko, neturi jokios įtakos pasauliui. Vienintelis dalykas yra Gal būt daryti įtaką pasauliui yra mūsų vaizduotė. „O Dieve, ta mašina manęs vos nepatrenkė“, – pagalvoji ir nusprendi eiti į vienuolyną, kad daugiau niekada nesusidurtum su pavojingais automobiliais. Bet tai vis tiek iš tikrųjų nėra patsįvykis, o tik jūsų vaizduotė, esanti jūsų smegenyse – kurią galima išimti iš jūsų, paliesti ir grąžinti atgal, kad įsitikintumėte, jog tai visiškai tikra.

Viskas, kas daro įtaką pasauliui, yra tikra. (Jei manote, kad taip nėra, pabandykite apibrėžti žodį „tikras“.) Konfigūracijos ir amplitudės tiesiogiai veikia pasaulį, todėl jos taip pat yra tikros. Sakyti, kad konfigūracija yra „kas gali atsitikti“, yra taip pat keista, kaip tai pasakyti kėdė– štai „kas gali nutikti“.

Kas tai per konfigūracija?

Tęsinys.

Tiesą sakant, viskas yra šiek tiek sudėtingiau, nei galite pagalvoti perskaitę šį straipsnį.
Kiekviena konfigūracija aprašoma Visi dalelės Visatoje. Amplitudė yra tęstinis paskirstymas visoje konfigūracijų erdvėje, o ne diskretiškas, kaip manėme šiandien. Iš tiesų fotonai neteleportuojasi iš vienos vietos į kitą. akimirksniu, o kiekviena skirtinga pasaulio būsena apibūdinama nauja konfigūracija. Galų gale mes ten pateksime.

Jei nieko nesupratote iš šios pastraipos, nesijaudinkite, aš viską paaiškinsiu. Po to.

Daugeliui žmonių fizika atrodo tokia tolima ir paini, o kvantinė fizika dar labiau. Bet aš noriu jums atverti šios didžiulės paslapties šydą, nes iš tikrųjų viskas pasirodo keista, bet atskleidžiama.

Be to, kvantinė fizika yra puikus dalykas, apie kurį galima kalbėtis su protingais žmonėmis.

Kvantinė fizika tapo lengva

Pirmiausia turite nupiešti vieną savo galvoje didelė linija tarp mikropasaulio ir makropasaulio, nes šie pasauliai yra visiškai skirtingi. Viskas, ką žinote apie jums pažįstamą erdvę ir joje esančius objektus, yra klaidinga ir nepriimtina kvantinėje fizikoje.

Tiesą sakant, mikrodalelės neturi nei greičio, nei konkrečios padėties, kol mokslininkai jų nežiūri. Šis teiginys mums atrodo tiesiog absurdiškas, taip atrodė Albertui Einšteinui, bet netgi puikus fizikas atsitraukė.

Faktas yra tas, kad tyrimais įrodyta, kad jei vieną kartą pažvelgsite į tam tikrą vietą užėmusią dalelę, o paskui nusisuksite ir vėl pažiūrėsite, pamatysite, kad ši dalelė jau užėmė visiškai kitokią padėtį.

Šios neklaužados dalelės

Viskas atrodo paprasta, bet kai žiūrime į tą pačią dalelę, ji stovi vietoje. Tai yra, šios dalelės juda tik tada, kai mes to nematome.

Esmė ta, kad kiekviena dalelė (pagal tikimybių teoriją) turi tikimybių skalę atsidurti vienoje ar kitoje padėtyje. O kai nusisukame, o paskui vėl pasisukame, dalelę galime sugauti bet kurioje iš galimų jos pozicijų tiksliai pagal tikimybių skalę.

Remiantis tyrimu, dalelė buvo ieškoma skirtingos vietos, tada nustojo ją žiūrėti, o tada vėl stebėjo, kaip pasikeitė jos padėtis. Rezultatas buvo tiesiog stulbinantis. Apibendrinant, mokslininkai tikrai sugebėjo sukurti tikimybių skalę, kur gali būti ta ar kita dalelė.

Pavyzdžiui, neutronas turi galimybę būti trijose padėtyse. Atlikę tyrimą galite pastebėti, kad pirmoje pozicijoje tai bus su 15% tikimybe, antroje - 60%, trečioje - 25%.

Šios teorijos niekam dar nepavyko paneigti, todėl, kaip bebūtų keista, ji pati teisingiausia.

Makropasaulis ir mikropasaulis

Jei paimtume objektą iš makrokosmoso, pamatytume, kad jis taip pat turi tikimybių skalę, tačiau ji yra visiškai kitokia. Pavyzdžiui, tikimybė, kad nusigręžiate ir savo telefoną rasite kitoje pasaulio pusėje, yra beveik nulinė, tačiau ji vis tiek egzistuoja.

Tada kyla klausimas: kaip tokie atvejai dar nebuvo užfiksuoti? Tai paaiškinama tuo, kad tikimybė tokia maža, kad žmonijai tektų laukti tiek metų, kiek mūsų planeta ir visa visata dar negyveno, kad pamatytų tokį įvykį. Pasirodo, beveik 100% tikimybė, kad jūsų telefonas atsidurs būtent ten, kur jį matėte.

Kvantinis tunelis

Iš čia galime prieiti prie kvantinio tuneliavimo koncepcijos. Tai vieno objekto laipsniško perėjimo (labai grubiai tariant) į visiškai kitą vietą be jokios išorinės įtakos koncepcija.

Tai yra, viskas gali prasidėti nuo vieno neutrono, kuris vienu metu patenka į tą pačią beveik nulinę tikimybę atsidurti visiškai kitoje vietoje, ir kuo daugiau neutronų yra kitoje vietoje, tuo didesnė tikimybė.

Žinoma, toks perėjimas užtruks tiek metų, kiek mūsų planeta dar negyveno, tačiau, remiantis kvantinės fizikos teorija, kvantinis tuneliavimas vyksta.

Taip pat skaitykite:

Čia aš kelias dienas kalbėjausi šia tema uždelsto pasirinkimo kvantinis trynimas, ne tiek diskusija, kiek kantrus mano nuostabaus draugo dr_tambowsky paaiškinimas apie kvantinės fizikos pagrindus. Kadangi mokykloje fizikos nesimokiau, o senatvėje ją sugeriu kaip kempinę. Paaiškinimus nusprendžiau surinkti vienoje vietoje, gal kam kitam.

Pirmiausia rekomenduoju pažiūrėti animacinį filmuką vaikams apie trukdžius ir atkreipti dėmesį į „akį“. Nes tai iš tikrųjų yra visa esmė.

Tada galite pradėti skaityti dr_tambowsky tekstą, kurį toliau cituoju visą, arba, jei esate protingas ir nuovokus, galite jį perskaityti iš karto. Arba dar geriau, abu.

Kas yra trukdžiai?
Čia tikrai daug įvairių terminų ir sąvokų ir jie labai painiojami. Eikime eilės tvarka. Pirma, trukdžiai kaip tokie. Yra begalė trukdžių pavyzdžių ir yra daugybė skirtingų interferometrų. Tam tikras eksperimentas, kuris nuolat siūlomas ir dažnai naudojamas šiame trynimo moksle (daugiausia dėl to, kad jis paprastas ir patogus), yra du plyšiai, iškirpti vienas šalia kito, lygiagrečiai vienas kitam, nepermatomame ekrane. Pirmiausia apšvieskime tokį dvigubą lizdą. Šviesa yra banga, tiesa? Ir mes nuolat stebime šviesos trukdžius. Įsitikinkite, kad jei apšviesime šiuos du plyšius, o iš kitos pusės pastatysime ekraną (ar tik sieną), tada šiame antrame ekrane taip pat pamatysime trukdžių modelį - vietoj dviejų ryškių šviesos dėmių. einantis per plyšius“ antrajame ekrane (sienoje ) bus tvorelė iš besikeičiančių ryškių ir tamsių juostų. Dar kartą atkreipkime dėmesį, kad tai grynai bangų savybė: jei mes mėtysime akmenukus, tai tie, kurie patenka į plyšius, toliau skris tiesiai ir atsitrenks į sieną, kiekvienas už savo plyšio, tai yra, pamatysime dvi nepriklausomas krūvas. akmenų (jei jie prilimpa prie sienos, žinoma 🙂), jokių trukdžių.

Kitas, ar prisimeni, kad mokykloje jie mokė apie „bangų ir dalelių dvilypumą“? Kad kai viskas labai maža ir labai kvantiška, tai objektai yra ir dalelės, ir bangos? Viename iš garsių eksperimentų (Stern-Gerlach eksperimentas) praėjusio amžiaus 20-aisiais, jie naudojo tą pačią sąranką, kaip aprašyta aukščiau, tačiau vietoj šviesos jie švietė... elektronais. Na, tai yra, elektronai yra dalelės, tiesa? Tai yra, jei juos „išmesite“ ant dvigubo lizdo, kaip akmenukus, ką pamatysime ant sienos už plyšių? Atsakymas yra ne dvi atskiros dėmės, o vėl trukdžių vaizdas!! Tai yra, elektronai taip pat gali trukdyti.

Kita vertus, paaiškėja, kad šviesa yra ne tik banga, bet ir šiek tiek dalelė - fotonas. Tai yra, dabar esame tokie protingi, kad suprantame, kad du aukščiau aprašyti eksperimentai yra tas pats dalykas. Mes metame (kvantines) daleles į plyšius, o šiose plyšiuose esančios dalelės trukdo - ant sienos matomos kintamos juostelės („matomos“ - ta prasme, kaip ten registruojame fotonus ar elektronus, iš tikrųjų akys tam nėra būtinos: )).

Dabar, apsiginklavę šiuo universaliu paveikslu, užduokime šį subtilesnį klausimą (dėmesio, labai svarbu!!):
Kai savo fotonais / elektronais / dalelėmis apšviečiame plyšius, kitoje pusėje matome trukdžių modelį. Nuostabu. Bet kas atsitiks su atskiru fotonu / elektronu / pi-mezonu? [ir nuo šiol kalbėkime – vien dėl patogumo – tik apie fotonus]. Juk toks variantas įmanomas: kiekvienas fotonas kaip akmenukas praskrenda per savo plyšį, tai yra, turi labai apibrėžtą trajektoriją. Šis fotonas skrenda per kairįjį plyšį. Ir tas ten yra dešinėje. Kai šie akmenukų fotonai, vadovaudamiesi savo specifinėmis trajektorijomis, pasiekia sieną už plyšių, jie kažkaip sąveikauja vienas su kitu ir dėl šios sąveikos ant pačios sienos atsiranda trukdžių raštas. Kol kas mūsų eksperimentuose niekas neprieštarauja šiam aiškinimui – juk kai į plyšį apšviečiame ryškią šviesą, vienu metu siunčiame daug fotonų. Jų šuo žino, ką jie ten daro.

Apie tai svarbus klausimas mes turime atsakymą. Mes žinome, kaip mesti vieną fotoną vienu metu. Jie paliko. Mes laukėme. Jie metė kitą. Atidžiai žiūrime į sieną ir pastebime, kur atkeliauja šie fotonai. Vienas fotonas, žinoma, negali sukurti stebimo trukdžių modelio iš principo – jis yra vienas, o jį užregistravę galime pamatyti tik tam tikroje vietoje, o ne visur iš karto. Tačiau grįžkime prie analogijos su akmenukais. Vienas akmenukas praskriejo. Jis atsitrenkė į sieną už vieno iš plyšių (žinoma, pro tą, pro kurį praskrido). Štai dar vienas – vėl pataikė už lizdo. Mes sėdime. Mes skaičiuojame. Praėjus tam tikram laikui ir užmetus pakankamai akmenukų, gausime paskirstymą – pamatysime, kad daug akmenukų atsitrenkia į sieną už vieno plyšio, o už kito – daug. Ir niekur kitur. Tą patį darome ir su fotonais – mesti juos po vieną ir lėtai skaičiuoti, kiek fotonų atkeliauja į kiekvieną sienos vietą. Mes pamažu einame iš proto, nes gaunamas fotonų smūgių dažnių pasiskirstymas nėra dviejose vietose po atitinkamais plyšiais. Šis paskirstymas tiksliai pakartoja trukdžių modelį, kurį matėme, kai šviečiame ryškia šviesa. Bet dabar fotonai atvyko po vieną! Vienas – šiandien. Kitas – rytoj. Jie negalėjo bendrauti vienas su kitu ant sienos. Tai yra, visiškai laikantis kvantinės mechanikos, vienas, atskiras fotonas tuo pat metu yra banga ir jai nėra svetima nieko panašaus į bangas. Mūsų eksperimente esantis fotonas neturi konkrečios trajektorijos – kiekvienas atskiras fotonas vienu metu pereina per abu plyšius ir tarsi įsiterpia į save. Eksperimentą galime pakartoti, palikdami tik vieną plyšį – tada fotonai, žinoma, susikaups už jo. Pirmąjį uždarykime, antrą atidarykime, vis tiek po vieną mesdami fotonus. Žinoma, jie susikaupia po antruoju atviru plyšiu. Atidarykite abu – gautas vietų, kuriose fotonai mėgsta telktis, pasiskirstymas nėra pasiskirstymų suma, gauta, kai buvo atidarytas tik vienas plyšys. Dabar jie vis dar susispaudę tarp plyšių. O tiksliau, jų mėgstamos vietos klasteriai dabar kinta juostelėmis. Šiame jie susigūžę, kitame - ne, vėl - taip, tamsu, šviesu. Ak, trukdžiai...

Kas yra superpozicija ir sukimas.
Taigi. Tarkime, kad mes viską suprantame apie trukdžius kaip tokį. Padarykime superpoziciją. Nežinau, kaip tau sekasi su kvantine mechanika, atsiprašau. Jei tai blogai, tuomet turėsite daug pasikliauti tikėjimu; sunku trumpai paaiškinti.

Bet iš principo jau buvome kažkur arti – kai pamatėme, kad vienas fotonas skrenda iš karto per du plyšius. Galime pasakyti paprastai: fotonas neturi trajektorijos, banga ir banga. Ir galime sakyti, kad fotonas vienu metu skrenda dviem trajektorijomis (griežtai kalbant, žinoma, net ne dviem, o visomis iš karto). Tai lygiavertis teiginys. Iš esmės, jei eisime šiuo keliu iki galo, pasieksime „kelio integralą“ - Feynmano kvantinės mechanikos formuluotę. Ši formuluotė yra neįtikėtinai elegantiška ir tokia pat sudėtinga, ją sunku naudoti praktikoje, o tuo labiau – paaiškinti pagrindus. Todėl nenueikime iki galo, o medituokime apie fotoną, skrendantį „dviem trajektorijomis vienu metu“. Klasikinių sąvokų prasme (o trajektorija yra gerai apibrėžta klasikinė sąvoka, arba akmuo lekia priešais arba pro šalį), fotonas tuo pačiu metu yra skirtingose ​​būsenose. Vėlgi, trajektorija net ne tokia, kokios reikia, mūsų tikslai paprastesni, tik raginu suvokti ir pajusti faktą.

Kvantinė mechanika mums sako, kad ši situacija yra taisyklė, o ne išimtis. Bet kuri kvantinė dalelė gali būti (ir paprastai yra) vienu metu „keliose būsenose“. Tiesą sakant, jums nereikia į šį teiginį žiūrėti per daug rimtai. Šios „kelios būsenos“ iš tikrųjų yra mūsų klasikinės intuicijos. Mes apibrėžiame skirtingas „būsenas“ remdamiesi kai kuriais savo (išoriniais ir klasikiniais) sumetimais. O kvantinė dalelė gyvena pagal savo dėsnius. Ji turi turtus. Taškas. Teiginys apie „superpoziciją“ reiškia tik tai, kad ši būsena gali labai skirtis nuo mūsų klasikinių idėjų. Pristatome klasikinę trajektorijos sampratą ir pritaikome ją fotonui toje būsenoje, kurioje jis mėgsta būti. O fotonas sako: „atsiprašau, mano mėgstamiausia būsena yra ta, kad, atsižvelgiant į šias tavo trajektorijas, aš esu ant abiejų! Tai nereiškia, kad fotonas apskritai negali būti tokioje būsenoje, kurioje (daugiau ar mažiau) būtų nustatyta trajektorija. Uždarykite vieną iš plyšių – ir tam tikru mastu galime sakyti, kad fotonas skrieja per antrą tam tikra trajektorija, kurią mes gerai suprantame. Tai yra, tokia valstybė iš esmės egzistuoja. Atidarykime abu – fotonui labiau patinka būti superpozicijoje.

Tas pats pasakytina ir apie kitus parametrus. Pavyzdžiui, jo paties kampinis impulsas arba sukimasis. Prisiminkite apie du elektronus, kurie gali sėdėti kartu toje pačioje orbitoje – jei jų sukiniai yra priešingi? Tai yra būtent tai. Ir fotonas taip pat turi sukimąsi. Geras dalykas apie fotonų sukimąsi yra tas, kad klasikoje jis iš tikrųjų atitinka šviesos bangos poliarizaciją. Tai yra, naudodami įvairius poliarizatorius ir kitus kristalus, kuriuos turime, galime manipuliuoti atskirų fotonų sukimu (poliarizacija), jei jų turime (ir jie pasirodys).

Taigi, sukite. Elektronas turi sukinį (tikiuosi, kad orbitos ir elektronai jums yra labiau pažįstami nei fotonai, todėl viskas yra taip pat), tačiau elektronas yra visiškai abejingas, kokioje „sukimosi būsenoje“ jis yra. Sukimas yra vektorius ir mes galime pabandyti pasakyti „sukimo taškai aukštyn“. Arba „sukimas žiūri žemyn“ (palyginti su kokia nors mūsų pasirinkta kryptimi). Ir elektronas mums sako: „Man tu nerūpi, aš galiu būti abiejose trajektorijose abiejose sukimosi būsenose vienu metu“. Čia vėlgi labai svarbu, kad ne daug elektronų būtų skirtingose ​​sukimosi būsenose, ansamblyje vienas žiūri aukštyn, kitas žemyn, ir kiekvienas atskiras elektronas yra iš karto abiejose būsenose. Lygiai taip pat, kaip ne skirtingi elektronai praeina per skirtingus plyšius, o vienas elektronas (arba fotonas) praeina per abu plyšius iš karto. Elektronas gali būti būsenoje su tam tikra sukimosi kryptimi, jei to labai klausiate, bet jis pats to nepadarys. Situaciją pusiau kokybiškai galima apibūdinti taip: 1) yra dvi būsenos, |+1> (sukite aukštyn) ir |-1> (sukite žemyn); 2) iš esmės tai yra košerinės būsenos, kuriose elektronas gali egzistuoti; 3) tačiau jei nedėsite ypatingų pastangų, elektronas bus „išteptas“ abiejose būsenose ir jo būsena bus panaši į |+1> + |-1>, būsena, kurioje elektronas neturi specifinės sukimosi kryptis (kaip ir 1+ trajektorijos trajektorija 2, tiesa?). Tai yra „būsenų superpozicija“.

Apie banginės funkcijos žlugimą.
Mums liko labai mažai, kad suprastume, kas yra matavimas ir „banginės funkcijos žlugimas“. Bangos funkcija yra tai, ką rašėme aukščiau, |+1> + |-1>. Tiesiog būklės aprašymas. Paprastumo dėlei galime kalbėti apie pačią valstybę, kaip tokią, ir jos „žlugimą“, tai nesvarbu. Taip atsitinka: elektronas skrenda į save tokioje neapibrėžtoje proto būsenoje, arba jis yra aukštyn, arba žemyn, arba abu iš karto. Tada pribėgame su kokiu nors baisiai atrodančiu prietaisu ir pamatuojame sukimosi kryptį. Šiame konkretus atvejis Pakanka įdėti elektroną į magnetinį lauką: tie elektronai, kurių sukinys nukreiptas išilgai lauko krypties, turėtų nukrypti į vieną pusę, tie, kurių sukinys nukreiptas prieš lauką - į kitą. Sėdame kitoje pusėje ir triname rankas – matome, į kurią pusę nukrypo elektronas ir iš karto žinome, jo sukinys nukreiptas aukštyn ar žemyn. Fotonus galima įdėti į poliarizacinį filtrą – jei poliarizacija (sukinys) yra +1, fotonas praeina, jei -1, tai ne.

Bet atleiskite – juk elektronas prieš matavimą neturėjo tam tikros sukimosi krypties? Štai ir visa esmė. Tikslios nebuvo, bet jis buvo tarsi „sumaišytas“ iš dviejų būsenų vienu metu, ir kiekvienoje iš šių būsenų buvo labai daug krypties. Matavimo procese mes priverčiame elektroną nuspręsti, kas jis turėtų būti ir kur žiūrėti – aukštyn ar žemyn. Aukščiau aprašytoje situacijoje mes, žinoma, iš principo negalime iš anksto numatyti, kokį sprendimą priims šis konkretus elektronas, skrisdamas į magnetinį lauką. Su 50% tikimybe jis gali nuspręsti „aukštyn“, su ta pačia tikimybe – „žemyn“. Tačiau kai tik jis tai nusprendžia, jis yra būsenoje su tam tikra sukimosi kryptimi. Mūsų „matavimo“ rezultatas! Tai yra „žlugimas“ – prieš matavimą bangos funkcija (atsiprašau, būsena) buvo |+1> + |-1>. Po to, kai „išmatavome“ ir pamatėme, kad elektronas nukrypo tam tikra kryptimi, buvo nustatyta jo sukimosi kryptis ir jo banginė funkcija tapo tiesiog |+1> (arba |-1>, jei nukrypo kita kryptimi). Tai yra, valstybė „sugriuvo“ į vieną iš savo komponentų; Nebėra antrojo komponento „sumaišymo“ pėdsakų!

Daugeliu atvejų tai buvo tuščio filosofavimo akcentas pirminiame įraše, todėl man nepatinka animacinio filmo pabaiga. Ten tiesiog nukrypsta akis ir nepatyręs žiūrovas, pirma, gali turėti tam tikro proceso antropocentriškumo iliuziją (sakoma, kad „matavimui“ atlikti reikalingas stebėtojas), ir, antra, jo neinvaziškumo ( Na, mes tik ieškome!). Mano nuomonė šia tema buvo išdėstyta aukščiau. Pirma, „stebėtojo“ kaip tokio, žinoma, nereikia. Pakanka sujungti kvantinę sistemą su didele, klasikinė sistema ir viskas vyks savaime (elektronai skris į magnetinį lauką ir nuspręs, kas jie bus, nepriklausomai nuo to, sėdime kitoje pusėje ir žiūrime, ar ne). Antra, neinvazinis klasikinis kvantinės dalelės matavimas iš esmės neįmanomas. Lengva atkreipti akį, bet ką reiškia „pažvelgti į fotoną ir sužinoti, kur jis nuėjo“? Norint atrodyti, reikia, kad į akį patektų fotonų, geriausia daug. Kaip sutvarkyti taip, kad atvyktų daug fotonų ir pasakytų viską apie vieno nelaimingo fotono būseną, kurios būsena mus domina? Šviesi ant jo žibintuvėlį? O kas iš jo liks po šito? Aišku, kad mes labai paveiksime jo būklę, galbūt tiek, kad jis nebenorės lipti į vieną iš lizdų. Ne viskas taip įdomu. Bet pagaliau priėjome prie įdomios dalies.

Apie Einšteino-Podolskio-Roseno paradoksą ir koherentines (susipainiojusias) fotonų poras
Dabar žinome apie būsenų superpoziciją, bet iki šiol kalbėjome tik apie vieną dalelę. Vien dėl paprastumo. Bet vis tiek, ką daryti, jei turime dvi daleles? Galite paruošti dalelių porą visiškai kvantinėje būsenoje, kad bendrą jų būseną apibūdintų viena bendra bangų funkcija. Tai, žinoma, nėra paprasta - du savavališki fotonai kaimyniniai kambariai arba elektroną gretimuose mėgintuvėliuose jie net nežino vienas apie kitą, todėl gali ir turi būti aprašyti visiškai nepriklausomai. Todėl tiesiog galima apskaičiuoti, tarkime, vieno elektrono surišimo energiją viename vandenilio atomo protone, visiškai nesidomėjus kitais elektronais Marse ar net kaimyniniuose atomuose. Bet jei įdėsite ypatingas pastangas, galite sukurti kvantinę būseną, apimančią dvi daleles vienu metu. Tai bus vadinama „nuoseklia būsena“; kalbant apie dalelių poras ir visokius kvantinius trynimus bei kompiuterius, tai taip pat vadinama įsipainiojusia būsena.

Eikime toliau. Galime žinoti (dėl apribojimų, kuriuos nustato šios darnios būsenos rengimo procesas), kad, tarkime, pilnas sukimasis mūsų dviejų dalelių sistemos yra nulis. Viskas gerai, mes žinome, kad dviejų elektronų sukiniai s orbitoje turi būti antilygiagretūs, tai yra, bendras sukimasis lygus nuliui, ir tai mūsų visai negąsdina, tiesa? Mes nežinome, kur nukreiptas tam tikros dalelės sukimasis. Žinome tik tiek, kad kur jis bežiūrėtų, antrasis sukimasis turi žiūrėti į kitą pusę. Tai yra, jei mes pažymime dvi mūsų daleles (A) ir (B), tada būsena iš esmės gali būti tokia: |+1(A), -1(B)> (A žiūri aukštyn, B žiūri žemyn ). Tai yra leistina būsena ir nepažeidžia jokių nustatytų apribojimų. Kita galimybė yra |-1(A), +1(B)> (atvirkščiai, A žemyn, B aukštyn). Taip pat galima sąlyga. Ar tai vis dar neprimena būsenų, kurias kiek anksčiau užrašėme vieno elektrono sukimuisi? Kadangi mūsų dviejų dalelių sistema, nors ji yra kvantinė ir koherentinė, taip pat gali būti (ir bus) būsenų superpozicijoje |+1(A); -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. Tai yra, abi galimybės įgyvendinamos vienu metu. Kaip ir abi fotono trajektorijos arba abi vieno elektrono sukimosi kryptys.

Tokios sistemos matavimas yra daug įdomiau nei vieno fotono matavimas. Išties, darykime prielaidą, kad matuojame tik vienos dalelės sukinį, A. Jau supratome, kad matavimas kvantinei dalelei yra stiprus įtempis, matavimo metu jos būsena labai pasikeis, įvyks kolapsas... Visa tai tiesa, bet šiuo atveju yra ir antroji dalelė B, kuri yra glaudžiai susijusi su A, jos turi bendrą banginę funkciją! Tarkime, išmatavome sukimosi A kryptį ir pamatėme, kad ji yra +1. Tačiau A neturi savo banginės funkcijos (arba, kitaip tariant, savo nepriklausomos būsenos), kad ji sugriūtų iki |+1>. Viskas, ką turi A, yra būsena, „susipainiojusi“ su B, parašyta aukščiau. Jei matavimas A duoda +1 ir žinome, kad A ir B sukiniai yra antilygiagretūs, žinome, kad B sukimas yra nukreiptas žemyn (-1). Poros banginė funkcija žlunga iki to, ką gali, arba gali tik iki |+1(A); -1(B)>. Rašytos bangos funkcija nesuteikia mums jokių kitų galimybių.

Dar nieko? Tik pagalvok, visas sukimasis išsaugomas? Dabar įsivaizduokime, kad sukūrėme tokią porą A, B ir leidžiame šioms dviem dalelėms prasiskristi skirtingos pusės, išlieka nuoseklus. Vienas (A) skrido į Merkurijų. O kitas (B), tarkime, Jupiteriui. Tą pačią akimirką atsitikome Merkurijuje ir išmatavome sukimosi kryptį A. Kas atsitiko? Tą akimirką sužinojome sukimosi B kryptį ir pakeitėme B banginę funkciją! Atkreipkite dėmesį, kad tai visai nėra tas pats, kas klasikoje. Tegul du skraidantys akmenys sukasi aplink savo ašį ir praneškite mums, kad jie sukasi priešingos pusės. Jei išmatuosime vieno sukimosi kryptį, kai jis pasieks Merkurijų, žinosime ir antrojo sukimosi kryptį, kad ir kur jis iki to laiko atsidurtų, net ir Jupiteryje. Tačiau šie akmenys visada sukosi tam tikra kryptimi, prieš bet kokius mūsų matavimus. Ir jei kas nors pamatuos Jupiterio link skrendančią uolą, jis (-iai) gaus tą patį ir gana konkretų atsakymą, nesvarbu, ar ką nors matavome Merkurijuje, ar ne. Su mūsų fotonais situacija yra visiškai kitokia. Nė vienas iš jų prieš matavimą neturėjo jokios konkrečios sukimosi krypties. Jei kas nors be mūsų dalyvavimo nuspręstų išmatuoti sukimosi B kryptį kur nors Marso regione, ką jis gautų? Tiesa, su 50% tikimybe jis pamatys +1, su 50% tikimybe -1. Tai B būsena, superpozicija. Jei kas nors nusprendžia išmatuoti sukimąsi B iš karto po to, kai jau išmatavome sukimąsi A, pamatėme +1 ir sukėlė *visos* bangos funkcijos žlugimą,
tada jis gaus tik -1 kaip matavimo rezultatą, su 100% tikimybe! Tik mūsų matavimo metu A pagaliau nusprendė, kas jis turėtų būti ir „pasirinko“ sukimosi kryptį – ir šis pasirinkimas akimirksniu paveikė *visą* bangos funkciją ir B būseną, kuri šiuo metu jau yra Dievas žino. kur.

Ši problema vadinama „kvantinės mechanikos nelokalumu“. Taip pat žinomas kaip Einšteino-Podolskio-Roseno paradoksas (EPR paradoksas) ir apskritai su tuo susiję tai, kas vyksta ištrynus. Galbūt aš, žinoma, kažką nesuprantu, bet mano skoniui ištrynimas įdomus, nes tai yra būtent eksperimentinis nelokalumo demonstravimas.

Supaprastintai eksperimentas su trynimu galėtų atrodyti taip: sukuriame darnias (susipainiojusias) fotonų poras. Po vieną: pora, paskui kitą ir t.t. Kiekvienoje poroje vienas fotonas (A) skrenda viena kryptimi, kitas (B) kita. Viskas yra taip, kaip jau aptarėme šiek tiek aukščiau. Fotono B kelyje įdedame dvigubą plyšį ir matome, kas atsiranda už šio plyšio ant sienos. Atsiranda trukdžių modelis, nes kiekvienas fotonas B, kaip žinome, skrenda abiem trajektorijomis, per abu plyšius iš karto (vis dar prisimename apie trukdžius, nuo kurių pradėjome šią istoriją, tiesa?). Tai, kad B vis dar yra nuosekliai sujungtas su A ir turi bendrą banginę funkciją su A, jam yra gana violetinė. Eksperimentą apsunkinkime: vieną plyšį uždenkite filtru, leidžiančiu prasiskverbti tik fotonams su sukimu +1. Antrąjį padengiame filtru, kuris perduoda tik fotonus su sukiniu (poliarizacija) -1. Mes ir toliau mėgaujamės trukdžių modeliu, nes bendra būklė poros A, B(|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, kaip prisimename), yra būsenos B su abiem sukiniais. Tai reiškia, kad "dalis" B gali praeiti per vieną filtrą / plyšį, o dalis - per kitą. Kaip ir anksčiau, viena „dalis“ skriejo viena trajektorija, kita – kita (tai, žinoma, kalbos figūra, bet faktas lieka faktu).

Galiausiai kulminacija: kur nors ant Merkurijaus arba šiek tiek arčiau, kitame optinio stalo gale, fotonų A kelyje pastatome poliarizuojantį filtrą, o už filtro – detektorių. Būkime aiškūs, kad šis naujas filtras leidžia prasiskverbti tik fotonams, kurių sukimasis +1. Kiekvieną kartą, kai suveikia detektorius, mes žinome, kad fotonas A su sukimu +1 praėjo (sukinys -1 nepraeis). Bet tai reiškia, kad visos poros bangos funkcija žlugo ir mūsų fotono „brolis“, fotonas B, šiuo metu turėjo tik vieną galimą būseną -1. Visi. Fotonui B dabar „nieko“ prasiskverbti – plyšys, padengtas filtru, leidžiančiu praeiti tik +1 poliarizaciją. Jam to komponento tiesiog nebelieka. „Atpažinti“ šį fotoną B yra labai paprasta. Kuriame poras po vieną. Kai aptinkame fotoną A, einantį per filtrą, įrašome laiką, kada jis atvyko. Pavyzdžiui, pusę pirmos. Tai reiškia, kad jo „brolis“ B taip pat nuskris į sieną pusę dviejų. Na, arba 1:36, jei jis skrenda šiek tiek toliau ir todėl ilgiau. Ten taip pat fiksuojame laikus, tai yra, galime palyginti, kas yra kas ir kas su kuo susijęs.

Taigi, jei dabar pažiūrėsime, koks paveikslas atsiranda ant sienos, jokių trukdžių neaptiksime. Fotonas B iš kiekvienos poros praeina per vieną arba kitą plyšį. Ant sienos yra dvi dėmės. Dabar pašaliname filtrą iš fotonų A kelio. Atkuriamas trukdžių modelis.

...ir galiausiai apie atidėtą pasirinkimą
Situacija tampa visiškai apgailėtina, kai fotonui A pasiekti savo filtrą/detektorių užtrunka ilgiau, nei fotonui B patekti į plyšius. Matuojame (ir priverčiame A išspręsti, o bangos funkcija sugriūti) po to, kai B jau turėjo pasiekti sieną ir sukurti trukdžių modelį. Tačiau nors matuojame A, net „vėliau nei turėtų“, fotonų B trukdžių modelis vis tiek išnyksta. Išimame A filtrą - jis atkurtas. Tai jau atidėtas trynimas. Negaliu pasakyti, kad gerai suprantu, su kuo jie valgo.

Pakeitimai ir patikslinimai.
Viskas buvo teisinga, su neišvengiamais supaprastinimais, kol nesukūrėme įrenginio su dviem įsipainiojusiais fotonais. Pirma, fotonas B patiria trukdžių. Atrodo, kad tai neveikia su filtrais. Turite jį padengti plokštėmis, kurios keičia poliarizaciją iš tiesinės į apskritą. Tai jau sunkiau paaiškinti 😦 Bet tai nėra pagrindinis dalykas. Svarbiausia, kad uždengus lizdus skirtingais filtrais, trukdžiai dingtų. Ne tuo momentu, kai matuojame fotoną A, o iš karto. Sudėtinga gudrybė ta, kad įdiegę plokštelinius filtrus „pažymėjome“ fotonus B. Kitaip tariant, fotonai B turi papildomos informacijos, kuri leidžia tiksliai sužinoti, kuria trajektorija jie skrido. *Jei* išmatuosime fotoną A, tai galėsime tiksliai sužinoti, kokia trajektorija B skriejo, vadinasi, B nepatirs trukdžių. Subtilumas tas, kad nebūtina fiziškai „matuoti“ A! Štai čia aš paskutinį kartą smarkiai klydau. Nereikia matuoti A, kad trukdžiai išnyktų. Jei *įmanoma* išmatuoti ir sužinoti, kurią iš fotono B trajektorijų nukeliavo, tai šiuo atveju trukdžių nebus.

Tiesą sakant, tai dar galima patirti. Ten, žemiau esančioje nuorodoje, žmonės kažkaip bejėgiškai gūžčioja rankomis, bet mano nuomone (gal vėl klystu? 😉) paaiškinimas toks: įdėję filtrus į lizdus, ​​mes jau labai pakeitėme sistemą. Nesvarbu, ar iš tikrųjų užregistravome poliarizaciją, ar trajektoriją, kuria fotonas praėjo, ar paskutinę akimirką mostelėjome ranka. Svarbu, kad viską „paruošėme“ matavimui ir jau padarėme įtaką būsenoms. Todėl iš tikrųjų „matuoti“ nereikia (taip jau sąmoningo humanoidinio stebėtojo, atsinešusio termometrą ir įrašančio rezultatą į žurnalą, prasme). Viskas tam tikra prasme (poveikio sistemai prasme) jau „išmatuota“. Teiginys paprastai formuluojamas taip: „*jei* išmatuosime fotono A poliarizaciją, tai žinosime fotono B poliarizaciją, taigi ir jo trajektoriją, o kadangi fotonas B skrieja tam tikra trajektorija, tai nebus trukdžių; mums net nereikia matuoti fotono A – pakanka, kad toks matavimas būtų įmanomas; fotonas B žino, kad jį galima išmatuoti, ir atsisako trukdyti. Čia yra tam tikra mistifikacija. Na, taip, jis atsisako. Tiesiog todėl, kad sistema buvo taip paruošta. Jei sistema turi papildomos informacijos (yra būdas) nustatyti, kuria iš dviejų trajektorijų praskriejo fotonas, tai trukdžių nebus.

Jei pasakysiu, kad viską sutvarkiau taip, kad fotonas praskris tik per vieną plyšį, iš karto suprasi, kad trukdžių nebus? Galite bėgti patikrinti („išmatuoti“) ir įsitikinti, kad sakau tiesą, arba galite tuo patikėti. Jei nemelavau, tai trukdžių nebus, nepaisant to, ar skubėsite mane tikrinti, ar ne :) Atitinkamai, frazė „galima išmatuoti“ iš tikrųjų reiškia „sistema paruošta taip ypatingai, kad... .”. Jis ruošiamas ir ruošiamas, tai yra, šioje vietoje dar nėra griūties. Yra „pažymėtų“ fotonų ir nėra trukdžių.

Kitas - kodėl iš tikrųjų visa tai yra ištrynimas - jie mums sako: veikime sistemoje taip, kad „ištrintume“ šias žymes iš fotonų B - tada jie vėl pradės trukdyti. Įdomus dalykas, prie kurio jau priartėjome, nors ir klaidingu modeliu, yra tai, kad fotonai B gali būti nepaliesti, o plokštelės paliekamos plyšiuose. Galite patraukti fotoną A ir, kaip ir žlugimo metu, jo būsenos pasikeitimas sukels (nelokaliai) sistemos bendros bangos funkcijos pasikeitimą, todėl nebeturėsime pakankamai informacijos nustatyti, per kurį plyšį fotonas B praėjo. Tai yra, mes įterpiame poliarizatorių į fotono A kelią - fotonų B trukdžiai atkuriami. Su delsimu viskas yra taip pat – darome taip, kad fotonui A užtrunka ilgiau skristi iki poliarizatoriaus, nei B patekti į plyšius. Ir vis dėlto, jei A pakeliui turi poliarizatorių, tai B trukdo (nors tarsi „prieš“ A pasiekiant poliarizatorių)!

Maitinti. Galite arba iš savo svetainės.