Квантовая механика полна буквально-таки невероятных концепций, которые бросают вызов нашему повседневному пониманию реальности. Когда читаешь про это, то в голове проскакивает мысль, что, может быть, это уже и не физика вовсе!? Ведь физика подразумевает некоторую логичность и последовательность. В какой-то степени даже точность. И совсем не "шуточки" из квантового мира.
Мы уже обсуждали на канале некоторые из странных явлений квантовой механики по отдельности. Давайте теперь попробуем перечислить самые известные и сделаем подборку. И да, это тоже наука и тоже физика. Многие явления проверены.
Квантовая суперпозиция
Скорее всего вы уже знаете, что существует квантовая суперпозиция, при которой частица может существовать в нескольких состояниях одновременно.
Это похоже на то, как если бы вы подбрасывали монетку, и она была бы орлом и решкой, пока вы действительно не посмотрите на нее. Знаменитый мысленный эксперимент Шредингера с кошкой, которая одновременно жива и мертва, пока ее не наблюдают, прекрасно отражает эту странность. Но нужно помнить, что сам квантовый кот появился как способ высмеивать логику квантовой суперпозиции. Однако сегодня все помнят именно кота Шрёдингера. Что же, пример и правда получился удачным.
Корпускулярно-волновой дуализм
Одна из самых странных концепций, которая встречается в физике. Заключается она в том, что такие частицы, как электроны и фотоны, могут вести себя и как частицы, и как волны. Представьте себе, что вы бросаете камешек в пруд и видите, как он создает рябь, но в то же время каким-то образом подпрыгивает, как мячик. Примерно так и происходит в квантовом мире. Разве что, современная физика всё-таки рассматривает дуализм как способность волн проявлять свойства частицы. Но не наоборот.
Обычный свет проявляет корпускулярно-волновой дуализм. Он ведет себя как волна (проявляя такие явления, как интерференция и дифракция), так и как частица (существующая в дискретных пакетах, называемых фотонами). И это самая быстрая вещь во Вселенной.
Квантовая запутанность
Когда частицы запутываются, состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Как будто у них есть таинственная связь, которая бросает вызов обычным законам пространства и времени, что беспокоило даже Эйнштейна. Ведь по этой логике скорость передачи информации превышала даже скорость света. Но современные теории всё-таки рассматривают это не как передачу информации, а как некоторое специфическое свойство, определяющее связанность. Никакой передачи информации при этом нет. Примерно как ручка двери вращается с обеих сторон этой двери.
Квантовое туннелирование
Частицы могут проходить через барьеры, которые, согласно классической физике, должны быть для них непроницаемыми. Это похоже на призрака, проходящего сквозь стены, и он играет решающую роль в таких технологиях, как полупроводники. Квантовое туннелирование для классической - это абсолютное безумие. Но в квантовом мире всё работает иначе.
Расположение частицы описывается вероятностью и, да, необычно, но вероятность нахождения частицы за барьером не нулевая. Именно это позволяет в некоторых случаях частице "материализоваться" именно там.
Эффект наблюдателя
Процесс наблюдения или измерения квантовой системы может изменить ее состояние. Или, лучше сказать, выбрать одно из состояний, которые вероятны для этой системы. Это в некоторой мере связано с принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что вы не можете точно измерить определенные пары свойств, такие как положение и импульс, одновременно. Но тут скорее следствие.
При этом как работает эффект наблюдателя физики пока точно не знают. Зато его существование не вызывает вопросов. Так квантовые компьютеры используют это явление для того, чтобы зафиксировать вероятное положение системы и обозначить выбранное состояние, что и является базой для вычисления.
Квантовая декогеренция
Квантовая декогеренция помогает объяснить, почему мы не видим этих квантовых эффектов в нашей повседневной жизни. Квантовые системы теряют свои странные свойства и начинают вести себя классически из-за взаимодействия с окружающей средой. Причём, чем больше объект. тем меньше вероятность наблюдать квантовые явления. С чем это связано пока точно не ясно, но физика предполагает, что макроявления (например, значительное влияние гравитации и т.п.) рушит квантовые состояния. Там, где могло бы проявиться квантовое явление, проявляется явление стандартное.
Квантовый эффект Зенона
Квантовый эффект Зенона довольно своеобразен. Если вы будете достаточно внимательно наблюдать за квантовой системой, вы сможете предотвратить ее изменение. Это похоже на квантовый эквивалент фразы «кастрюля, за которой следят, никогда не закипает».
Технически это объясняется довольно сложно. Если выполнить серию последовательных измерений, то перекрытие волновой функции с пограничными секторами пренебрежимо мало, и функция каждый раз локализуется в центральном секторе. Случай соответствует квантовому эффекту Зенона. Или выбирается одно и тоже состояние подряд.
Тёмные кванты
Темная материя и темная энергия - одна из самых увлекательных загадок во Вселенной. Мы знаем, что темная материя якобы существует из-за ее гравитационного воздействия на галактики и другие космические структуры, но она совершенно невидима для нас, потому что она не взаимодействует со светом, как это делает обычная материя.
Квантовая физика имеет на этот счёт свою теорию. Одна из идей заключается в том, что темная материя может состоять из экзотических частиц, таких как вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы) или аксионы. Эти частицы являются гипотетическими, но квантовая теория поля дает нам инструменты для описания и предсказания их поведения.
Кажущаяся несовместимость между квантовой механикой и классической (макроскопической) физикой, возможно, является самым увлекательным и самым странным аспектом современной науки. Физики работают над такими теориями, как квантовая гравитация и теория струн, чтобы преодолеть разрыв между квантовой механикой и общей теорией относительности (которая иллюстрирует макрофизику). Предполагалось, что эти теории должны обеспечить единую структуру, которая может объяснить явления на всех масштабах, но полной и экспериментально проверенной теории пока нет.
Эти концепции делают квантовую физику одной из самых увлекательных и загадочных наук, которые только можно придумать.
А какие квантовые явления и эффекты не попали в статью? Напишите в комментариях эффект, про которой забыли.
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта! Там самое интересное по теме.
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!