Квантовая физика сама по себе очень странная. Все аспекты этой области знаний, которые кажутся вполне нормальными для восприятия учёными, переворачивают логику обычного человека кверху ногами. Да, у квантовой частицы нет определенного положения или концертного детерминированного свойства. Всё описывается через вероятности.
Тут начинается самое интересное. Есть разные подходы к вопросу внутри самой физики. Если объект находится в состоянии суперпозиции (всех состояниях сразу), то как так получается, что он становится тем, что мы видим в реальности и тем, из чего состоит реальность? Какой процесс сопровождает эти пресловутые квантовые измерения и выявление одного состояния?
Разные взгляды на проблему обозначаются в физике термином "интерпретация квантовой механики". Одна из самых известных - копенгагенская интерпретация. Она же, по совместительству, и самая понятная для нас всех.
Что происходит, когда мы все-таки решаем “посмотреть” на квантовую частицу согласно копенгагенской интерпретации? Тут вступает в силу так называемый “коллапс волновой функции”. Это значит, что как только мы проводим измерение, все возможные состояния частицы, которые существовали в суперпозиции, мгновенно “схлопываются” в одно, конкретное состояние. Монетка наконец-то падает орлом или решкой.
Представьте, что вы пытаетесь определить местоположение электрона. До того, как вы начнете его искать, он как бы “размазан” по всему пространству. Но как только вы начинаете его измерять, например, с помощью светового луча, электрон “выбирает” одно конкретное местоположение. Измерение, по сути, создает реальность, а не просто ее фиксирует.
Ключевые идеи копенгагенской интерпретации:
- Суперпозиция: До измерения частица существует во всех возможных состояниях одновременно.
- Коллапс волновой функции: Процесс измерения мгновенно “выбирает” одно конкретное состояние из суперпозиции.
- Роль наблюдателя: Наблюдатель (или процесс измерения) играет активную роль в формировании квантовой реальности.
- Вероятностная природа: Квантовая механика описывает вероятность обнаружения частицы в определенном состоянии, а не предопределяет его заранее.
Теперь немного нуднятины из учебника. Стационарные состояния квантовой частицы или системы описываются дифференциальным уравнением Шредингера, также для этого используется матричная механика Гейзенберга. Конечные результаты одинаковы для обоих подходов. Фактическое состояние частицы или системы является линейной комбинацией стационарных состояний. Наблюдаемые, такие как энергия, линейный импульс, угловой момент и т. д. определяются (среднее значение) с использованием этой линейной комбинации стационарных состояний.
Мы получаем средние значения в терминах квантового числа, скажем, n. Согласно Копенгагенской интерпретации, когда квантовое число становится большим, квантовая система ведет себя примерно как классическая система. Это проверка достоверности результатов, полученных из квантовой механики.
На рисунке показана функция вероятности для квантово-механического осциллятора, а также для классического осциллятора. Пунктирная линия для классического осциллятора и сплошная красная линия для квантово-механического осциллятора. Для квантового числа n = 0, заметная разница между функцией вероятности квантово-механического осциллятора и функцией вероятности классического осциллятора. Для большего квантового числа n = 10 мы видим, что вероятность классического осциллятора является просто средним значением вероятности квантово-механического осциллятора.
Копенгагенская интерпретация не лишена критики. Многие ученые считают, что она оставляет без ответа вопрос о том, что именно является “измерением” и как происходит коллапс волновой функции. Тем не менее, она остается самой распространенной и интуитивно понятной попыткой объяснить странности квантового мира. Она позволяет нам принять тот факт, что на субатомном уровне реальность фундаментально отличается от того, к чему мы привыкли в повседневной жизни. Это мир вероятностей, непредсказуемости и активной роли наблюдателя – мир, который до сих пор продолжает бросать вызов нашему пониманию вселенной.
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
