Квантовая физика обладает мистической сложностью и труднодостижимостью, на самом деле Ричард Фейнман, получивший Нобелевскую премию за свою работу по квантовой электродинамике, сказал: “Если вы думаете, что понимаете квантовую физику, вы не понимаете квантовую физику”. Что отчасти обескураживает нас, потому что, если он этого не понимал, какие шансы есть у остальных из нас? К счастью, эта цитата немного вводит в заблуждение. На самом деле мы действительно понимаем квантовую физику что ж, на самом деле это, пожалуй, самая успешная научная теория из существующих, и она позволила нам изобрести такие технологии, как компьютеры, цифровые камеры, светодиодные экраны, лазеры и атомные электростанции. И вы знаете, на самом деле вы не хотите строить атомную электростанцию, если вы действительно не понимаете, как это работает.
Итак, квантовая физика - это та часть физики, которая описывает мельчайшие вещи.
Вселенная: молекулы, атомы, субатомные частицы и тому подобное. Там, внизу, все работает не совсем так, как мы привыкли здесь, наверху. Это увлекательно, потому что вы и все вокруг вас создано на основе квантовой физики, и так на самом деле работает вся
Вселенная. Кстати, я использую квантовую физику и квантовую
механику взаимозаменяемо, это одно и то же.
Квантовая волна - это абстрактное математическое описание. Чтобы получить свойства реального мира, такие как положение или импульс электрона, мы должны выполнить математические операции над этим волновая функция, поэтому для позиции мы берем амплитуду и возводим ее в квадрат, что для этой
волны выглядело бы примерно так. Это дает нам так называемое распределение вероятностей, которое говорит нам, что вы с большей вероятностью найдете электрон здесь, чем здесь, и когда
мы действительно измеряем, где находится электрон, электронная частица появляется где-то в этой области...
Итак, в квантовой физике мы ничего не знаем с бесконечными подробностями, мы можем только предсказывать вероятности того, что что-то произойдет, и похоже, что это фундаментальная особенность
Вселенной, которая сильно отличается от заводной, детерминированной вселенной в классической физике, которую вывел Ньютон. Никто никогда не видел квантовую волну, потому что всякий раз, когда мы измеряем электрон, все, что мы видим, - это точка, подобная электронной частице. Таким образом, существует нечто вроде скрытого квантового царства, где существуют волны, а затем мир, который мы можем видеть, где все волны превратились в частицы. И барьер между ними - это измерение. Мы говорим, что измерение "коллапсирует" волновую функцию, но на самом деле у нас нет никакой физики, чтобы описать, как коллапсирует волна.
Это пробел в наших знаниях, который мы назвали проблемой измерения, и это одна из вещей, на которые ссылался Фейнман в своей цитате.
Еще одна запутанная вещь заключается в том, как именно представить электрон. Это кажется волной, пока вы ее не измерите, и тогда это частица, так что же это на самом деле? Это известно как корпускулярно-волновой
дуализм, и вот его пример в действии: знаменитый эксперимент с двойной щелью. Представьте, что вы распыляете пейнтбольный пистолет на стену с двумя отверстиями в ней, вы ожидаете увидеть, как два столба краски проходят сквозь нее и ударяются о стену позади. Но если вы уменьшите все это до размера электронов, вы увидите нечто совершенно волны из каждой щели накладываются друг на друга, и там, где волны складываются вместе, у вас есть высокая вероятность того, что электрон ударится о стенку, но там, где волны уравновешиваются, вероятность очень мала. Таким образом, на самом деле на задней стенке наибольшая вероятность
найти электрон находится в середине щелей, а затем он снова опускается и поднимается, и снова опускается и поднимается, и это интерференционная картина. Итак, когда вы запускаете один электрон за другим, они следуют этому распределению вероятностей, и эта интерференционная картина начинает накапливаться, и это именно то, что мы видим в экспериментах. Итак, это показывает, что электроны в этом эксперименте ведут себя как волны.
Вопрос в том, что на самом деле происходит с этой распространяющейся электронной волной, когда вы проводите измерение?
Кажется, что она переходит от этой распространяющейся волны к этой локализованной частице, в квантовой механике нет ничего, что говорило бы нам, как коллапсирует волновая функция. И это верно не только для электронов, но и для всего во Вселенной, так что этот
эксперимент с двумя щелями имеет огромные последствия для нашей модели Вселенной, и это было очень удивительно, когда он был проведен в первый раз. Физики все еще бьются над этим вопросом сегодня
и придумали множество интерпретаций квантовой механики, чтобы попытаться объяснить эти результаты и объяснить, как на самом деле работает реальность. Хорошо, давайте вернемся к волновой функции. Теперь мы можем использовать эту картинку для объяснения других особенностей квантовой физики, о которых вы, возможно, слышали.
Итак, это всего лишь одна возможная волновая функция для электрона, но есть много других.
Слово "суперпозиция" просто означает сложение волн, и мы уже видели это
в эксперименте с двойной щелью, и на самом деле это не очень особенное явление. Вы даже можете увидеть наложение, бросив два камешка в пруд, где рябь накладывается друг на друга. Теперь о запутанности. Допустим, встречаются две электронные волны. Их волны интерферируют друг с другом и смешиваются. Это означает, что математически у нас теперь есть одна волновая функция, которая описывает все, что касается обоих электронов, и они неразрывно связаны, даже если они удаляются
друг от друга. Измерение на одной из частиц, например измерение
того, вращается ли она вверх или вниз, теперь коррелируется с измерением на другой, даже если они удаляются на миллиарды
миль. Эйнштейну была очень неприятна эта идея, потому что, если вы измерите здесь одну из частиц, вы мгновенно узнаете, какой будет другая, даже если она находится на расстоянии миллиардов миль, и в этом есть что-то вроде связи быстрее света, что не допускается теорией относительности. Но оказывается, что на самом деле вы не можете использовать это для передачи информации, потому что измерения дают вам случайные результаты, но тот факт, что они коррелированы, означает, что каким-то образом существует связь, которая простирается на это расстояние. Это называется нелокальностью.
Квантовое туннелирование... Квантовое туннелирование - это когда частицы имеют вероятность проходить через барьеры, по сути, позволяя таким вещам, как электроны, проходить сквозь стены. Когда
волновая функция встречает барьер, она экспоненциально затухает в барьере, но если барьер достаточно узок, волновая функция будет существовать с другой стороны, что означает, что существует вероятность о том, что частица обнаруживается там при проведении измерения.
На самом деле единственная причина, по которой вы живы, - это квантовое туннелирование на Солнце, которое заставляет Солнце сиять. Протоны обычно отталкиваются друг от друга, но у них есть небольшая вероятность
квантового туннелирования друг в друга, что превращает водород в гелий и высвобождает энергию термоядерного синтеза. Вся жизнь на Земле существует благодаря энергии Солнца, за исключением жизни вокруг
гидротермальных источников. Теперь перейдем к принципу неопределенности Гейзенберга. Эта волновая функция
содержит всю информацию, такую как положение и импульс электрона, нам просто нужно провести с ней некоторые математические расчеты. Положение задается амплитудой, или высотой волны, а импульс задается длиной волны. Но для этой конкретной волны положение дает нам распределение вероятностей, поэтому мы не
знаем точно, где находится электрон. Также существует неопределенность в импульсе, потому что эта волна состоит из множества различных длин волн. Но мы можем уменьшить эту неопределенность, давайте создадим волну, которая имеет только одну длину волны, то есть синусоидальную волну. Теперь мы точно знаем импульс, потому что длина волны имеет единственное значение. Существует равная вероятность того, что электрон будет найден где угодно во Вселенной. Хорошо, давайте сделаем наоборот, давайте создадим волну, у которой есть только одна
позиция. Теперь мы точно знаем, где находится электрон, но какова длина волны? Теперь длина волны очень неопределенная. По сути, только синусоидальная волна дает вам точный импульс, и любую волну, которая не является идеальной синусоидальной волной, вы должны построить из множества различных синусоидальных волн, и каждая из этих множества различных синусоидальных волн имеет разную длину волны, и, следовательно, у вас есть диапазон возможных различных значений импульса для частицы. Это принцип неопределенности Гейзенберга, вы можете точно знать только определенные вещи, но не все. Либо у вас есть определенное значение импульса, и вы не знаете что-нибудь о позиции, или вы очень хорошо знаете позицию, но ничего не знаете об
импульсе, или вы находитесь в каком-то промежуточном состоянии. И это не предел нашего измерительного аппарата, это фундаментальное свойство Вселенной!
И, наконец, откуда взялось название "квант". Ну, кванты - это пакет чего-то
вроде куска чего-то, и одним из первых квантовых эффектов, которые люди увидели, были атомные спектры, в которых атомы испускают свет с определенными дискретными энергиями. Это работает подобный этому. Представьте себе струну, которая завязана с обоих концов, как гитарная струна. Если вы выщипываете его, могут существовать только определенные волны, потому что концы связаны, в этой ситуации мы говорим, что длины волн квантуются до определенных значений.
То же самое произойдет, если вы свяжете концы струны вместе, потому что волны должны совпадать, они могут вибрировать только определенными ограниченными способами. И это то, что происходит с электроном в атоме. Электронная волна ограничена атомом и квантуется до определенных длин волн, коротковолновые имеют высокую энергию, а длинноволновые - более низкую энергия. Вот почему свет, излучаемый атомом, выглядит как штрих-код, потому что каждая полоса света соответствует электрону, перепрыгивающему с волны с высокой энергией на волну с
меньшей энергией и в то же время испускающему квантованный фотон света, когда он это делает.
Таким образом, свет, исходящий от атома, квантуется в дискретные пакеты энергии. Итак, это все основы квантовой физики, вот несколько технических замечаний, которые необязательно знать, но сейчас поставьте экран на паузу, если вас интересуют более математические подробности.
Итак, подведем итоги. В квантовой физике объекты описываются с помощью волновых функций, но когда мы их измеряем, то, что мы видим, - это частицы, так что это приводит к корпускулярно-волновому дуализму, а
также к проблеме измерения. И следствием этих волновых функций являются квантовые явления суперпозиции, запутанности, квантового туннелирования, принципа неопределенности Гейзенберга и энергии
квантование. Итак, если вы понимаете эти вещи, у вас есть хорошее базовое представление о квантовой физике. Несмотря на ее репутацию, я думаю, что квантовая механика не слишком сложна для понимания большинством людей основы того, что происходит. В прошлом я полагался на аналогии, чтобы попытаться объяснить это, но здесь описано, что происходит на самом деле, что, как мне кажется, может быть более
полезным.
Для меня самое странное в квантовой физике то, что, с одной стороны, она невероятно точна и предсказуема, но в то же время в ней есть гигантские дыры, такие как проблема измерения, которую мы просто не понимаем. Таким образом, мы можем задаться вопросом, поймем ли мы когда-нибудь на самом деле квантовую физику, или она просто слишком абстрактна для понимания нашим человеческим мозгом.
Взгляните на эти темы
