6 Фактів про квантову фізику, які повинен знати кожен
Непідготовленого слухача квантова фізика лякає з самого початку знайомства. Вона дивна і нелогічна, навіть для фізиків, які мають з нею справу кожен день. Але вона не незрозуміла. Якщо вас цікавить квантова фізика, насправді є шість ключових понять з неї, які необхідно утримувати в розумі. Ні, вони мало пов'язані з квантовими явищами. І це не уявні експерименти. Просто намотайте їх на вус, і квантову фізику буде набагато простіше зрозуміти.
Все складається з хвиль - і частинок теж
Є багато місць, з яких можна почати це обговорення, і ось це так само добре, як інші: все в нашому Всесвіті має одночасно природою частинок і хвиль. Якби можна було сказати про магію так: «Все це хвилі, і тільки хвилі», це було б чудовим поетичним описом квантової фізики. Насправді все в цьому всесвіті має хвильовий природою.
Звичайно, також всі у Всесвіті має природу частинок. Звучить дивно, але це експериментальний факт.
Ця «третя» природа квантових об'єктів відображається в заплутаному іноді мовою фізиків, які обговорюють квантові явища. Бозон Хіггса був виявлений на Великому адронному колайдері в якості частки, але ви напевно чули словосполучення «поле Хіггса», такий делокалізованной речі, яка заповнює весь простір. Це відбувається, оскільки при певних умовах на кшталт експериментів із зіткненням частинок більш доречно обговорювати збудження поля Хіггса, ніж визначати характеристики частинки, тоді як при інших умовах на кшталт загальних обговорень того, чому у певних частинок є маса, більш доречно обговорювати фізику в термінах взаємодії з квантовим полем вселенських масштабів. Це просто різні мови, що описують одні й ті ж математичні об'єкти.
Квантова фізика дискретна
Все в назві фізики - слово «Квантум» походить від латинського «скільки» і відображає той факт, що квантові моделі завжди включають щось приходить в дискретних величинах. Енергія, що міститься в квантовому полі, приходить в кратних величинах якоїсь фундаментальної енергії. Для світла це асоціюється з частотою і довжиною хвилі світла - високочастотний світло з короткою хвилею володіє величезною характерною енергією, тоді як низькочастотний світло з довгою хвилею володіє невеликою характерною енергією.
В обох випадках між тим повна енергія, укладена в окремому світловому полі, целочисленном кратна цієї енергії - 1, 2, 14, 137 разів - і не зустріти дивних часток на кшталт півтора, «пі» або квадратному кореню з двох. Це властивість також спостерігається в дискретних енергетичних рівнях атомів, і енергетичні зони конкретні - деякі величини енергій допускаються, інші ні. Атомний годинник працюють завдяки дискретності квантової фізики, використовуючи частоту світла, пов'язаного з переходом між двома дозволеними станами в цезіі, яка дозволяє зберегти час на рівні, необхідному для здійснення «другого стрибка».
Надточна спектроскопія також може бути використана для пошуку речей на зразок темної матерії і залишається частиною мотивації для роботи інституту низькоенергетичної фундаментальної фізики.
Це не завжди очевидно - навіть деякі речі, які квантові в принципі, на зразок випромінювання чорного тіла пов'язані з безперервними розподілами. Але при найближчому розгляді і при підключенні глибокого математичного апарату квантова теорія стає ще більш дивною.
Квантова фізика є ймовірнісної
Одним з найдивовижніших і (історично, по крайней мере) суперечливих аспектів квантової фізики є те, що неможливо з упевненістю передбачити результат одного експерименту з квантової системою. Коли фізики пророкують результат певного експерименту, їх передбачення носить форму ймовірності знаходження кожного з конкретних можливих результатів, а порівняння між теорією і експериментом завжди включають виведення розподілу ймовірностей з багатьох повторних експериментів.
Математичний опис квантової системи, як правило, приймає форму «хвильової функції», представленої в рівняннях грецької букової пси: Ψ. Ведеться багато дискусій про те, що конкретно є хвильова функція, і вони розділили фізиків на два табори: тих, хто бачить в хвильової функції реальну фізичну річ (онтического теоретики), і тих, хто вважає, що хвильова функція є виключно виразом нашого знання (або його відсутності) незалежно від лежачого нижче стану окремого квантового об'єкта (епістеміческіе теоретики).
У кожному класі основоположною моделі ймовірність знаходження результату визначається не хвильової функцією безпосередньо, а квадратом хвильової функції (грубо кажучи, все їй же; хвильова функція - це складний математичний об'єкт (а значить, включає уявні числа начебто квадратного кореня або його негативного варіанту), і операція отримання ймовірності трохи складніше, але «квадрата хвильової функції» досить, щоб зрозуміти основну суть ідеї). Це відомо як правило Борна в честь німецького фізика Макса Борна, вперше його обчислено (у виносці до роботи 1926 роки) і здивував багатьох людей потворним його втіленням. Ведуться активні роботи в спробах вивести правило Борна з більш фундаментального принципу; але поки жодна з них не була успішною, хоча і породила багато цікавого для науки.
Цей аспект теорії також приводить нас до частинкам, які перебувають в безлічі станів одночасно. Все, що ми можемо передбачити, це ймовірність, і до вимірювання з отриманням конкретного результату вимірюється система знаходиться в проміжному стані - стані суперпозиції, яке включає всі можливі ймовірності. А ось чи дійсно система перебуває в множинних станах або знаходиться в одному невідомому - залежить від того, віддаєте перевагу ви онтического або епістеміческі модель. Обидві вони приводять нас до наступного пункту.
Квантова фізика нелокальна
Останній великий внесок Ейнштей на в фізику не був широко визнаний як такий, в основному тому, що він помилявся. У роботі 1935 року, разом з його молодими колегами Борисом Подолько і Натаном Розеном (робота ЕПР), Ейнштейн привів чітке математичне заяву чогось, що турбувало його вже деякий час, того, що ми називаємо «заплутаністю».
Робота ЕПР стверджувала, що квантова фізика визнала існування систем, в яких вимірювання, зроблені в широко віддалених місцях, можуть корелювати так, щоб результат одного визначав інше. Вони стверджували, що це означає, що результати вимірювань повинні бути визначені заздалегідь, будь-яким загальним фактором, оскільки в іншому випадку потрібна була б передача результату одного виміру до місця проведення іншого зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Отже, квантова фізика повинна бути неповною, бути наближенням глибшої теорії (теорії «прихованої локальної змінної», в якій результати окремих вимірів не залежать від чогось, що знаходиться далі від місця проведення вимірювань, ніж може покрити сигнал, який мандрує зі швидкістю світла (локально), а скоріше визначається якимось чинником, загальним для обох систем в заплутаній парі (прихована змінна).
Все це вважалося незрозумілою виноскою більше 30 років, так як, здавалося, не було ніякого способу перевірити це, але в середині 60-х років ірландський фізик Джон Белл більш детально пропрацював наслідки роботи ЕПР. Белл показав, що ви можете знайти обставини, при яких квантова механіка передбачить кореляції між віддаленими вимірами, які будуть сильніше будь-якої можливої теорії на кшталт запропонованих Е, П і Р. Експериментально це перевірив в 70-х роках Джон Клозер і Ален Аспект на початку 80- х - вони показали, що ці заплутані системи не можуть бути потенційно пояснені ніякої теорією локальної прихованої змінної.
Найбільш поширений підхід до розуміння цього результату полягає в припущенні, що квантова механіка нелокальна: що результати вимірювань, виконаних в певному місці, можуть залежати від властивостей віддаленого об'єкта так, що це не можна пояснити з використанням сигналів, що рухаються зі швидкістю світла. Це, втім, не дозволяє передавати інформацію з надсвітовою швидкістю, хоча було проведено безліч спроб обійти це обмеження за допомогою квантової нелокальності.
Квантова фізика (майже завжди) пов'язана з дуже малим
У квантової фізики є репутація дивної, оскільки її передбачення кардинально відрізняються від нашого повсякденного досвіду. Це відбувається, оскільки її ефекти проявляються тим менше, чим більше об'єкт - ви навряд чи побачите хвильове поведінку частинок і того, як зменшується довжина хвилі зі збільшенням моменту. Довжина хвилі макроскопічного об'єкта на зразок що йде собаки настільки сміховинно мала, що якщо ви збільшите кожен атом в кімнаті до розмірів Сонячної системи, довжина хвилі пса буде розміром з один атом в такий сонячній системі.
Це означає, що квантові явища здебільшого обмежені масштабами атомів і фундаментальних частинок, маси і прискорення яких досить малі, щоб довжина хвилі залишалася настільки малою, що її не можна було б спостерігати прямо. Втім, прикладається маса зусиль, щоб збільшити розмір системи, яка демонструє квантові ефекти.
Квантова фізика - не магія
Попередній пункт вельми природно підводить нас до цього: яким би дивним квантова фізика не здавалася, це явно не магія. Те, що вона постулює, дивне по мірках повсякденному фізики, але вона суворо обмежена добре зрозумілими математичними правилами і принципами.
Тому якщо хтось прийде до вас з «квантової» ідеєю, яка здається неможливою, - нескінченна енергія, чарівна цілюща сила, неможливі космічні двигуни - це майже напевно неможливо. Це не означає, що ми не можемо використовувати квантову фізику, щоб робити неймовірні речі: ми постійно пишемо про неймовірні прориви з використанням квантових явищ, і вони вже порядком здивували людство, це лише означає, що ми не вийдемо за межі законів термодинаміки і здорового глузду .