Когда постоянно изучаешь материалы, связанные с квантовой физикой, то появляется один главный вопрос - было ли хоть как-то это измерено в лаборатории? Ведь всё сводится к чистой математике и есть привкус мистики. Давайте посмотрим, как изучается "святой грааль" всей квантовой физики - волновая функция. Это база в понимании и описании поведения любой частицы.
Тут ничего особенно нового нет. Я уже рассказывал, что все измерения в таком случае "косвенные". Меня ругали за использование этого термина, но на мой взгляд это лучший вариант. Ведь подобные эффекты не изучаются напрямую, а отсылаются к влиянию одного фактора, который мы можем реально "пощупать" на другой. Также это работает и тут.
Невозможно измерить полную квантовую волновую функцию напрямую. Волновая функция является комплексным числом, но измерения имеют действительные числовые значения, поэтому отдельные эксперименты измеряют комбинацию амплитуды и фазы волновой функции.
Обычно измеряется квадрат волновой функции в заданном месте, что дает вероятность нахождения частицы в этом месте. Поскольку волновые функции являются волнами с пиками и впадинами, это уже дает достаточно информации о квантовом состоянии.
На первом курсе университетского курса квантовой механики одной из первых анализируемых задач является "частица в коробке", квантовая частица, заключенная между двумя стенками. Следующая задача - частица в круглой коробке, которую можно назвать квантовым загоном. Математика проста для студентов-физиков, и можно вывести красивые картины волновых функций.
Но это всего лишь теория. Согласуется ли она с реальным миром?
В 1993 году Дон Эйглер и его коллеги из лаборатории IBM Almanden в Сан-Хосе придумали способ реализовать эту студенческую задачу в реальной жизни. Используя методы манипуляции отдельными атомами (ранее использовавшиеся для написания «IBM» атомами на металлической поверхности), Эйглер и его команда поместили 48 атомов железа на медный лист таким образом, чтобы образовать твердую стенку радиусом 7,1 нанометра.
Затем они инжектировали электроны в эту яму, используя сканирующий туннельный микроскоп, которое может улавливать отдельные электроны с поверхности. Они измерили плотность электронов во многих точках загона. При разных уровнях заполнения загона электронами они могли визуализировать плотности электронов, связанные с отдельными волновыми функциями в загоне.
Вы можете прочитать об этом в их оригинальной статье в журнале Science: Crommie, Lutz, and Eigler, Science 262, 218 (1993).
На фотографии выше точки вокруг круга - отдельные атомы железа. Пики и впадины внутри круга - пики и впадины электронной плотности вероятности определенной электронной волновой функции. Авторы находят хорошее согласование наблюдения с учебниками.
Обычно физики пытаются узнать новые результаты, а не предоставить студентам демонстрацию модельных задач, поэтому волновые функции, которые они измеряют, не так легко объяснить. Но, тем не менее, некоторые из этих экспериментов действительно визуализируют волновые функции напрямую.
Например, в лаборатории SLAC используют рентгеновские лучи, чтобы выбить отдельные электроны из образцов полупроводников. Измеряя угол и энергию выброшенных электронов (метод, называемый «ARPES»), можно связать отдельные электроны с определенными волновыми функциями в полупроводниковом материале. Вероятность рассеяния пропорциональна электронной плотности в этой волновой функции. С помощью этого метода можно измерять энергии, а также пространственные формы волновых функций, соответствующие электронным свойствам полупроводника. Этот метод используется для разработки новых материалов для электроники.
Существуют определенные эффекты, зависящие от формы волновых функций, а также от их интерференции (сложения или погашения волн), которая также чувствительна к фазе волновой функции. Квантовая механика, похоже, действительно работает, как и говорится в учебниках.
⚠️ На всякий случай потихоньку переношу материалы с ДЗЕНа в Телеграм и делаю архив. Мало ли что...Читайте лучшие статьи с канала здесь и не забывайте подписаться!
Я провожу дополнительные занятия, готовлю к экзаменам по физике или консультирую по интересным вопросам - подробности.
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!