А давайте поговорим об основах квантовой механики и о том, как проверяют границы ее применимости. Для этого рассмотрим историю одной интересной проблемы, а именно, историю концепций корпускулярно-волнового дуализма, волновой функции и квантовой когерентности.
История квантовой механики начинает свой отсчет с решения Максом Планком в 1900-ом году задачи о том, как тело излучает в зависимости от его температуры, где он выдвинул гипотезу, что излучение энергии происходит маленькими порциями. В 1905-ом году Альберт Эйнштейн назвал эти порции квантами и объяснил с их помощью явление фотоэффекта, когда освещенный ультрафиолетовым излучением металл испускает электроны. Свет может выбить из металла электроны только тогда, когда кванты света (фотоны) ведут себя как частицы, которые передают электронам в металле энергию за счет поглощения, а значит, свет можно и нужно представлять как поток частиц. Такое представление противоречило известным на тот момент опытам, в ходе которых свет демонстрировал как раз противоположные, волновые свойства. Достаточно упомянуть явление дифракции, которая имеет чисто волновую природу. Таким образом, к 1905-ому году экспериментальные данные вынудили физиков признать, что свет проявляет как волновые свойства, так и свойства частиц. Вот эту идею и назвали корпускулярно-волновым дуализмом.
Авторство следующей радикальной идеи принадлежит Луи де Бройлю, который в 1924-ом году выдвинул гипотезу о том, что материя обладает волновыми свойствами, также как свет обладает свойствами частиц. То есть любой объект в природе обладает свойствами и волны, и частицы. Вообще любой. И эта гипотеза очень быстро нашла свое экспериментальное подтверждение в 1927-ом. В 1926-ом году из этой гипотезы выросла базовая для квантовой механики идея волновой функции, которая задает плотность вероятности нахождения частицы в конкретном состоянии.
Таким образом, двойственность волн и частиц легла в основу центральных принципов квантовой механики. И если квантовая механика всегда справедлива, то проявления таких свойств должны обнаруживаться у объектов любой сложности. Опыт 1927-ого года демонстрировал дуализм в поведения потока электронов, рассеивающихся на кристаллической решетке так, как если бы они все вместе представляли из себя волну. Следующим логичным шагом стало изучение более сложных объектов – нейтронов, атомов, больших молекул и т.д. И всегда физики находили подтверждение квантово-механических свойств вещества.
Концепция волн означает, что любая система проявляет свои квантовые свойства тогда, когда находится в состоянии когерентности (от лат. cohaerens — «находящийся в связи»). В этом состоянии волновые функции составных частей квантовой системы, их волны вероятностей, накладываются друг на друга и образуют устойчивые конфигурации, учитывающие все разновероятные состояния системы. Хороший пример такого состояния – кот Шредингера, который и жив, и мертв одновременно.
Находиться в состояние когерентности система может ровно до того момента, пока она не провзаимодействует с окружающей классической средой. В момент взаимодействия система получает информацию об окружающей среде и подстраивается под нее, выбирая из всего многообразия своих возможных состояний подходящее. Можно сказать, что такой процесс декогеренции означает для системы смешивание с окружающей средой, запутывание с ней, в результате чего рассматривать ее отдельно уже нельзя.
Чем больше и сложнее квантовая система, тем мЕньшее внешнее воздействие запускает процесс декогеренции. В крупных системах, состоящих из многих миллиардов атомов, декогеренция происходит почти мгновенно. Поэтому одна единственная молекула воды демонстрирует квантовые свойства бесконечное время, а вода в чашке не демонстрирует их совсем. Вернее, мы просто не способны различить квантовые свойства отдельных молекул, мы видим только их совместные, классические характеристики.
Тем интереснее определить границы, выше которых мы не можем различать квантовые свойства систем.
Как такую задачу решают современные ученые, читайте в Части II.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
