Квантовые явления интересны тем... Что их никто и никогда не видел. Но слово "интерес" тут не совсем уместно. Скорее подойдёт термин "страшны" или "сложны". Сложность восприятия и множество теорий заговора вокруг квантовой реальности обычно связаны именно с тем, что квантовая физика ломает существующую базу классической физики, но это невероятно неочевидно.
В результате многие полагают, что всё это знание находится на уровне сказок про Деда Мороза или фантазий маразматика. И попробуй тут объясни, что квантовая запутанность - это не прямая связь реальной верёвкой между частицами и что она уходит корнями в математическое описание процесса.
Что же, если вы тоже так полагаете, то критиковать ваш взгляд сложно. Скорее всего вы не занимаетесь физикой столь глубоко, чтобы легко это воспринимать. Когда-то даже Шрёдингер называл квантовые явления безумием и придумал легендарного кота Шрёдингера, чтобы показать всю абсурдность проблемы. Ну а Эйнштейн ужасался скорости квантовой запутанности и называл её чертовским действием на расстоянии.
Если уж люди, которые всю свою жизнь посвятили изучению физики, с трудом воспринимали столь странные идеи, то ваше удивление легко можно понять.
Видео по теме можно посмотреть тут. Увы, на ДЗЕН теперь выкладывать не могу.
Сегодня я предлагаю вам совершить интересное путешествие. Давайте рассматривать фотографии квантовых явлений, которые делают учёные и сопоставлять ожидаемое нами с реальностью. И да, это не "фотографии" в прямом смысле слова. Где-то мы видим визуализации, где-то - это фиксация некоторых значимых факторов и создание на их базе красивой модели. Всё это скорее картинки и слово "фотографии" во всех случаях не совсем правильное.
Но сделаны они на основе реальных экспериментальных данных, что подразумевает некоторую научную ценность. Поэтому, каждая из картинок - это уже не сказка про ёжика в тумане, а вполне себе реальный научный результат, демонстрирующий, что математика действительно обнаружилась.
"Фотография" квантовой запутанности
Квантовая запутанность - ключевое явление квантовой физики, при котором состояния частиц связаны, несмотря на любые расстояния между ними. Это лежит в основе квантовой телепортации, защищённой связи и вычислений. Подразумевается, что-то или иное свойство системы из нескольких квантовых частиц, изменяющееся по той или иной причине, мгновенно сопоставляется со связанной частицы и меняется и у неё.
Это, пожалуй, одна из самых известных и старых "фотографий" квантовой запутанности. Команда из Университета Глазго под руководством Поля-Антуана Моро получила изображения пар запутанных фотонов в момент их неопределённого квантового состояния. Результаты работы опубликованы в Science Advances.
Шотландские физики использовали установку, где одна из частиц пары проходила через жидкокристаллический модулятор и фильтры, а другая сразу попадала на детектор. Сверхчувствительная камера фиксировала только те события, когда оба фотона из пары регистрировались одновременно. Им удалось запечатлеть квантовые состояния фотонов с различным орбитальным угловым моментом света напрямую визуализируя нарушение неравенств Белла.
Мы не увидели саму квантовую запутанность, но мы наблюдаем сопутствующие явления. Их бы не было, если отсутствовала сама запутанность.
Проявление свойств самой запутанности в реальности
Конечно главный вопрос при изучении квантовой запутанности - а как бы увидеть что-то более реальное, чем прочитать про спины частицы, которые взаимно выравниваются и посмотреть математические выкладки. И на этот счёт был интересный эксперимент.
Учёные получили чёткие изображения невидимых объектов с помощью запутанных лазерных лучей разных цветов. Фотоны одного луча (например, синего) проходили через миниатюрные трафареты с силуэтами котов, тогда как фотоны другого (жёлтого) напрямую попадали на камеру. Удивительно, но именно жёлтый свет, который не контактировал с объектами, формировал их изображение!
Такой эффект стал возможен благодаря всё той же квантовой запутанности - явлению, когда частицы остаются связаны, несмотря на любое расстояние. Как только фотоны одного луча изменялись, это мгновенно отражалось на фотонах другого луча. В итоге один луч сканировал котика, а другой рисовал котика, хотя не имел никакой информации для этого, кроме запутывания с главным ведущим лучом.
Волновая природа частиц
Наверное одна из самых странных концепций квантовой физики - волновая природа частицы. "Ноги растут" ещё со времён корпускулярно-волнового дуализма и двух щелевого эксперимента. Физики тут долгое время путали горячее и кислое. При этом ни в коем случае не обвиняю тут исследователей, просто логика двойственности и правда стала непреодолимой.
Позже появилась идея, что частица - это вовсе не двойственное состояние, а волна, которая иногда проявляет свойства материального объекта и становится привычной классической частицей. Это подтвердили целой группой экспериментов и есть интересная визуализация, построенная по математической модели, а потом "нащупанная в реальности".
На этом изображении ряби на медной поверхности, полученном в 1993 году, показаны электроны. Электроны заключены в «квантовый загон», образованный кольцом атомов железа (пики). Изображение получено с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Вот и получается, что зонд микроскопа щупал не "мячик", как мы обычно представляем частицу, а энергетические колебания, которые подтверждают волновую природу частицы. Волны внутри загона - это и есть электроны. Не то, чтобы это полностью очевидное подтверждение, но увидеть такое очень интересно.
Формирование полос интерференции
Чуть выше я отметил, что долгое время путали частицы, волны и видели странной эту связь. Тут мы видим обратную сторону проблему. Аналогичный эксперимент повторялся много раз и интересен тем, что фотон всё-таки может проявлять свойства частицы, причём даже внутри интерференционной картины. Эксперимент повторялся много раз и таких снимков в сети очень много. Это один из них.
Идея простая - в том самом опыте про двойственность в эксперименте Юнга и при наблюдении мы получаем интерференционную картину, которая свидетельствует про наличие волновых свойств объекта. Свойства эти меняются в зависимости от присутствия наблюдателя. То волна, а то частица.
Но при этом если работать с единичными фотонами и прогонять их в условиях, при которых система вела себя как волна и формировала интерференционную картину, то фотоны всё равно поочередно располагаются на интерференционной картине и опять вырисовывая полоски. Это подчёркивает ту истину, что волна и частица в этом контексте почти одно и тоже. При этом когда система имеет свойства волны, там всё равно прячется частица.
Фрагменты кварк-глюонной плазмы
Кварк-глюонная плазма (КГП) – это экзотическое состояние вещества, существовавшее в первые, невообразимо малые, мгновения после Большого взрыва. Где искать квантовые объекты, если не тут?
В этом первобытном супе, при температуре, достигающей 20 триллионов градусов Цельсия, кварки - фундаментальные составляющие протонов и нейтронов - и глюоны, удерживающие их вместе, пребывали в состоянии полной свободы, не связанные в привычные адроны. Этот “суп” представляет собой окно в раннюю Вселенную и фундаментальные взаимодействия материи. И тут же полным-полно квантов.
У нас есть отличная картинка. Это визуализация. Учёные впервые реконструировали струи частиц, рождающихся в паре с фотонами при столкновениях тяжёлых ионов. Это позволило проследить, как кварк-глюонная плазма реагирует на прохождение струй, рассеивая их энергию в стороны - подобно тому, как вода разлетается при ударе велосипеда о лужу.
На основании данных получено изображение шара из «кварк-глюонной плазмы», созданного при столкновении двух ионов золота на коллайдере тяжелых ионов. Это столкновение также привело к образованию коррелированной струи частиц, направленной спина к спине с фотоном (волнистая фиолетовая линия). Ученые из коллаборации STAR RHIC показали, что взаимодействие частиц струи заставляет плазму разбрызгиваться в стороны, как след за моторной лодкой, что позволило им измерить свойства плазмы.
Изображение в туннельном микроскопе
Про туннельный микроскоп я упомянул на канале много раз. А как он работает, если коротко?
Вблизи потенциального барьера электроны проявляют свою квантовую природу, демонстрируя возможности проникновения за этот барьер. Этот феномен описывается волновой функцией электрона, которая описывает границы его локализации в конкретном месте пространства с заданным энергетическим состоянием. И, есть ненулевая вероятность, что частица окажется за барьером.
Туннель ток, образующийся в промежутке между зондом и поверхностью, имеет экспоненциальную зависимость от расстояний между этими объектами. Мониторинг изменений величины этого тока при перемещении зонда над поверхностью образца позволяет сделать снимки ее топографии в наномасштабе.
По сути дела, мы фиксируем кривизну поверхности или ощупываем её посредством изменения тока. Сам же ток появляется благодаря тому, что работает квантовый туннельный эффект и любое изображение на туннельном микроскопе есть проявление квантового эффекта. Тока не было бы, если некоторые электроны не перепрыгивали через потенциальный барьер.
Визуализация квантового поведения
Когда атомы входят в группы, то они ведут себя странно. Размерный ряд этих частиц подразумевает проявление квантовых свойств. И обычно при рассмотрении скоплений из таких частиц мы видим некое облако. Примерно как облако из электронов вокруг атома.
Но физики MIT получили прямые изображения отдельных атомов, свободно взаимодействующих в пространстве. С помощью лазерной ловушки они на мгновение «заморозили» атомы и зафиксировали их квантовое поведение. Снимки показали, как бозоны образуют волнообразные структуры, а фермионы - пары, что связано со сверхпроводимостью. В общем, бозоны притягиваются, тогда как фермионы отталкиваются. При низких температурах облако бозонов образует то, что известно как конденсат Бозе-Эйнштейна - состояние материи, в котором все бозоны разделяют одно и то же квантовое состояние. Эти результаты открывают новый способ наблюдать квантовые эффекты в реальном пространстве.
Два верхних изображения показывают, как блуждающие атомы в атомной ловушке (красный фрагмент) внезапно замораживаются на месте с помощью примененной оптической решетки и отображаются с помощью охлаждения боковой полосы Рамана. Внизу три изображения с микроскопа показывают (слева направо) бозонный 23Na, образующий конденсат Бозе-Эйнштейна; одно спиновое состояние в слабовзаимодействующей смеси Ферми 6Li; и оба спиновых состояния сильновзаимодействующей смеси Ферми, напрямую показывающие образование пар.
Telegram-канал моего проекта.
Не забывайте ставить лайки 👍 и подписываться на канал ✔️, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться.