На самых малых масштабах Вселенная ведёт себя совсем не так, как повседневный мир, который мы наблюдаем вокруг себя. Квантовая механика — это раздел физики, который описывает это странное поведение микроскопических частиц — атомов, электронов, фотонов и почти всего остального в молекулярной и субмолекулярной сферах.
Результаты, полученные в квантовой механике в первой половине XX века, часто бывают крайне странными и противоречащими здравому смыслу. Однако их изучение позволило физикам лучше понять природу Вселенной и однажды может изменить то, как мы, люди, обрабатываем информацию.
Чем квантовая механика отличается от классической физики?
В масштабах атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение и взаимодействие объектов обычных размеров и скоростей, перестают быть полезными.
В классической механике объекты существуют в определённом месте в определённое время. В квантовой механике объекты существуют в тумане вероятности; у них есть определённая вероятность находиться в точке A, другая вероятность — в точке B и так далее.
Кто разработал квантовую механику?
В отличие от знаменитой теории относительности Альберта Эйнштейна, которая была разработана примерно в то же время, происхождение квантовой механики нельзя приписать одному учёному. Скорее, несколько учёных внесли свой вклад в создание основы, которая постепенно получила признание и экспериментальную проверку в период с конца 1800-х до 1930 года, согласно Университету Сент-Эндрюс в Шотландии.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк пытался объяснить, почему объекты при определённых температурах, например, нить накаливания в лампочке при температуре 1470 градусов по Фаренгейту (800 градусов по Цельсию), светятся определённым цветом — в данном случае красным, согласно Институту Периметра. Планк понял, что уравнения, которые физик Людвиг Больцман использовал для описания поведения газов, можно применить для объяснения взаимосвязи между температурой и цветом. Проблема заключалась в том, что работа Больцмана основывалась на том факте, что любой газ состоит из крошечных частиц, а значит, свет тоже состоит из дискретных частиц.
Эта идея противоречила представлениям о свете в то время, когда большинство физиков считали, что свет — это непрерывная волна, а не крошечные частицы. Сам Планк не верил ни в атомы, ни в дискретные частицы света, но его концепция получила развитие в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света.»
Эйнштейн представлял себе свет не в виде волны, а в виде неких «квантов энергии». Этот пакет энергии, как предположил Эйнштейн в своей статье, может «поглощаться или генерироваться только целиком», в частности, когда атом «перескакивает» между квантованными частотами колебаний. Отсюда и «квантовая» часть квантовой механики.
С помощью этого нового способа представления света Эйнштейн в своей статье объяснил поведение девяти явлений, в том числе конкретных цветов, которые, по словам Планка, испускались нитью накаливания в лампочке. Он также объяснил, как определённые цвета света могут выбивать электроны с металлических поверхностей — явление, известное как фотоэлектрический эффект.
Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
В квантовой механике частицы могут иногда существовать в виде волн, а иногда — в виде частиц. Наиболее наглядно это можно увидеть в эксперименте с двумя щелями, когда частицы, например электроны, выстреливаются в пластину с двумя прорезями, за которой находится экран, загорающийся, когда в него попадает электрон. Если бы электроны были частицами, они бы создавали две яркие линии в тех местах, где они попадали на экран после прохождения через одну из прорезей, согласно популярной статье в журнале Nature.
Вместо этого, когда проводится эксперимент, на экране формируется интерференционная картина. Этот рисунок из темных и ярких полос имеет смысл, только если электроны представляют собой волны с гребнями (максимумами) и впадинами (минимумами), которые могут интерферировать друг с другом. Даже когда через щели одновременно пропускается один электрон, проявляется интерференционная картина — эффект, подобный тому, как один электрон интерферирует сам с собой.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль использовал уравнения теории специальной относительности Эйнштейна, чтобы показать, что частицы могут обладать волновыми свойствами, а волны — свойствами частиц. За это открытие несколько лет спустя он получил Нобелевскую премию.
Как квантовая механика описывает атомы?
В 1910-х годах датский физик Нильс Бор попытался описать внутреннюю структуру атомов с помощью квантовой механики. К тому времени уже было известно, что атом состоит из тяжёлого, плотного, положительно заряженного ядра, окружённого роем крошечных, лёгких, отрицательно заряженных электронов. Бор поместил электроны на орбиты вокруг ядра, как планеты в субатомной солнечной системе, за исключением того, что они могли находиться только на определённых заранее заданных расстояниях. Переходя с одной орбиты на другую, атом может получать или испускать излучение с определённой энергией, что отражает его квантовую природу.
Вскоре после этого два учёных, работавших независимо друг от друга и использовавших разные математические подходы, создали более полную квантовую картину атома, согласно Американскому физическому обществу. В Германии физик Вернер Гейзенберг добился этого, разработав «матричную механику». Австро-ирландский физик Эрвин Шрёдингер разработал аналогичную теорию под названием «волновая механика». В 1926 году Шрёдингер показал, что эти два подхода эквивалентны.
Модель атома Гейзенберга — Шрёдингера, в которой каждый электрон ведёт себя как волна вокруг ядра атома, заменила более раннюю модель Бора. В модели атома Гейзенберга — Шрёдингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит в модели Бора, атомные орбитали имеют различную форму: от сфер до гантелей и ромашек, согласно объяснительному сайту химика Джима Кларка.
Что такое парадокс кота Шредингера?
«Кот Шрёдингера» — это часто неправильно понимаемый мысленный эксперимент, описывающий сомнения, которые испытывали некоторые из первых разработчиков квантовой механики по поводу её результатов. В то время как Бор и многие его ученики считали, что квантовая механика предполагает, что частицы не обладают чётко определёнными свойствами до тех пор, пока их не наблюдают, Шрёдингер и Эйнштейн не могли поверить в такую возможность, потому что это привело бы к нелепым выводам о природе реальности.
В 1935 году Шрёдингер предложил эксперимент, в котором жизнь или смерть кошки зависела бы от случайного переворота квантовой частицы, чьё состояние оставалось бы невидимым до тех пор, пока не была бы открыта коробка. Шрёдингер надеялся показать абсурдность идей Бора на реальном примере, который зависел бы от вероятностной природы квантовой частицы, но давал бы бессмысленный результат.
Согласно интерпретации квантовой механики Бором, пока ящик не был открыт, кот существовал в невозможной двойственной позиции, будучи одновременно и живым, и мёртвым. (Ни один реальный кот никогда не подвергался этому эксперименту.) И Шрёдингер, и Эйнштейн считали, что это помогло показать, что квантовая механика является неполной теорией и в конечном счёте будет заменена теорией, которая согласуется с обычным опытом.
Даже сегодня физики пытаются объяснить, почему субатомные частицы, по-видимому, могут существовать в суперпозиции различных состояний, а крупные структуры — например, сама Вселенная — по-видимому, не могут. Предлагаемые изменения в уравнениях Шрёдингера могли бы помочь разрешить это противоречие, но пока ни одно из них не получило широкого признания в научном сообществе.
Что такое квантовая запутанность?
Шрёдингер и Эйнштейн помогли выявить ещё один странный результат квантовой механики, который ни один из них не мог до конца понять. В 1935 году Эйнштейн вместе с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном показал, что две квантовые частицы можно настроить так, чтобы их квантовые состояния всегда были связаны друг с другом, согласно Стэнфордской философской энциклопедии. По сути, частицы всегда «знали» о свойствах друг друга. Это означает, что измерение состояния одной частицы мгновенно покажет вам состояние её близнеца, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Эйнштейн назвал это «чудесным действием на расстоянии», но Шрёдингер вскоре дал этому явлению название «запутанность».
Было доказано, что запутанность является одним из важнейших аспектов квантовой механики и постоянно встречается в реальном мире. Исследователи часто проводят эксперименты с использованием квантовой запутанности, и это явление является частью основы для зарождающейся области квантовых вычислений.
Что такое квантовые вычисления?
В отличие от классических компьютеров, которые обрабатывают данные с помощью двоичных битов, которые могут находиться в одном из двух состояний — 0 или 1, — квантовые компьютеры используют такие частицы, как электроны или фотоны. Эти квантовые биты, или кубиты, представляют собой суперпозицию 0 и 1, то есть они могут находиться в нескольких состояниях одновременно.
Эта суперпозиция позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления параллельно, обрабатывая все состояния кубита одновременно. Кроме того, квантовая запутанность позволяет нескольким кубитам обмениваться информацией и взаимодействовать одновременно, независимо от расстояния между частицами.
Хотя квантовая суперпозиция и запутанность делают вычислительный потенциал квантовых компьютеров намного выше, чем у классических компьютеров, этой области ещё предстоит пройти долгий путь. В настоящее время квантовые компьютеры слишком малы, сложны в обслуживании и подвержены ошибкам, чтобы конкурировать с лучшими классическими компьютерами. Однако многие эксперты ожидают, что однажды ситуация изменится по мере развития этой области.
Несовместимы ли квантовая механика и общая теория относительности?
На данный момент физикам не хватает полного объяснения всех наблюдаемых частиц и сил во Вселенной, которое часто называют теорией всего. Теория относительности Эйнштейна описывает большие и массивные объекты, а квантовая механика — маленькие и нематериальные. Эти две теории не совсем несовместимы, но никто не знает, как их объединить.
Многие исследователи искали теорию квантовой гравитации, которая объединила бы гравитацию с квантовой механикой и объяснила бы всё — от субатомных частиц до сверхгалактических масштабов. Существует множество предложений о том, как это сделать, например, изобрести гипотетическую квантовую частицу гравитации, названную гравитоном, но пока ни одна теория не смогла объяснить все наблюдения за объектами в нашей Вселенной. Другое популярное предположение, теория струн, которая утверждает, что наиболее фундаментальными объектами являются крошечные струны, вибрирующие во многих измерениях, стала менее популярной среди физиков, поскольку было обнаружено мало доказательств в её пользу. Другие исследователи также работали над теориями, включающими петлевую квантовую гравитацию, в которой и время, и пространство существуют в виде дискретных, крошечных фрагментов, но пока ни одна из этих идей не получила широкого признания в физическом сообществе.
Эта статья была изначально написана автором Live Science Робертом Кулманом и обновлена Адамом Манном 2 марта 2022 года. Она была снова обновлена Брэндоном Спектором 29 апреля 2024 года.