Почему квантовый мир следует своим законам, отличным от привычной нам «реальности»? Что такое корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности и квантовая запутанность? Профессор кафедры радиотехники и электродинамики СГУ Михаил Владимирович Давидович раскрывает тайны квантовой физики.
Квантовая теория — фундаментальная основа, объясняющая существование атомов, молекул и вещества в том виде, в котором мы их воспринимаем. В отличие от привычного нам макромира, микромир подчиняется квантовым законам.
Частица или волна? И то, и другое
Корпускулярно-волновой дуализм — ключевой принцип квантовой физики, открытый французским физиком Луи де Бройлем в 1923 году. Согласно этому принципу, любой объект может проявлять свойства как частицы, так и волны. Ученый предположил, что волновыми свойствами обладают не только фотоны (частицы света), но и любые частицы материи — от электронов до атомов и молекул. Длина волны частицы определяется отношением постоянной Планка к ее импульсу — чем больше импульс частицы, тем меньше длина ее волны.
Например, для таких крупных предметов, как книга или стол, эта длина волны настолько ничтожно мала, что ее невозможно обнаружить, и мы видим только их «частичные», твердые свойства. А вот для электрона, движущегося в атоме, его волновая природа является определяющей. На основе данного принципа работают современные электронные микроскопы.
Принцип неопределенности
Принцип неопределенности Гейзенберга — фундаментальный закон квантовой механики, открытый немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году.
Этот принцип устанавливает, что невозможно одновременно точно измерить положение и импульс (скорость) частицы. Например, в макромире мы можем знать и скорость автомобиля, и его местоположение, но в квантовом мире это невозможно. Чем точнее мы определяем положение частицы, тем менее точно можем узнать ее импульс, и наоборот. Это следствие волновой природы квантовых объектов, а не недостаток измерительных приборов.
Квантовая запутанность
Когда две частицы (например, фотоны) оказываются в запутанном состоянии, они образуют единую связную систему. Измерив свойство одной частицы (например, ее поляризацию), мы мгновенно узнаем соответствующее свойство второй, как бы далеко она ни находилась. Однако с помощью этого эффекта нельзя передать сигнал или информацию быстрее света.
Важно понимать разницу между научными фактами и фантастическими предположениями. Например, идеи о квантовых двойниках и мультивселенной остаются в области научной фантастики, отмечает эксперт. Современная наука опирается на экспериментально подтвержденные явления, среди которых — квантовая запутанность.
Практическое применение квантовых технологий
Квантовая запутанность уже активно используется в современных технологиях:
- Квантовые вычисления — создание мощных квантовых компьютеров на основе кубитов;
- Защищенная связь — квантовая криптография обеспечивает безопасность каналов связи на фундаментальном физическом уровне. При любой попытке перехвата информации система фиксирует нарушение;
- Квантовая телепортация — передача квантового состояния частиц на расстояние с помощью запутанных пар и классического канала связи;
- Молекулярное моделирование — квантовые симуляторы помогают исследовать поведение молекул и материалов на атомном уровне, что ускоряет разработку новых лекарств и материалов с заданными свойствами.
«Понимание квантового мира открывает новые горизонты для технологий будущего. Это означает развитие защищенных каналов связи, ускорение разработки материалов и лекарств, появление новых вычислительных возможностей. Квантовый мир остается непривычным, но именно он формирует технологическое будущее», — подводит итог эксперт.