10 квантовых истин о нашей Вселенной
С того момента, как было обнаружено, что макроскопические классические правила, определяющие электричество, магнетизм и свет, необязательно применимы к субатомным масштабам, человечеству открылся совершенно новый взгляд на Вселенную. Эта квантовая картина намного шире и всеохватывающе, чем думает большинство людей, включая многих специалистов. Вот десять основ квантовой механики, которые могут заставить вас пересмотреть то, как вы представляете нашу Вселенную, в мельчайших масштабах и за ее пределами. Ознакомьтесь с этими крутыми квантовыми истинами о нашей Вселенной:
10.Кот Шредингера либо мертв, либо жив, но не то и другое вместе
Чтобы начать этот список квантовых истин о нашей Вселенной, позвольте нам начать с информирования вас о том, что на заре квантовой механики это не было хорошо изучено, но квантовая функция макроскопических объектов распадается очень быстро. Эта «декогеренция» возникает из-за повторяющихся взаимодействий с окружающей средой, которых невозможно избежать в умеренно теплых и компактных местах, подобных тем, которые необходимы для жизни. Это демонстрирует, что то, что мы считаем измерением, не требует участия человека; просто взаимодействие с окружающей средой имеет значение. Это также демонстрирует, почему очень сложно привести большие объекты в суперпозицию двух различных состояний, и суперпозиция быстро исчезает.
Тяжелый объект, который до сих пор находился в нескольких местах, – это молекула углерода-60, в то время как самые претенциозные предложили провести этот тест на вирусы или даже более тяжелых существ, таких как бактерии. Таким образом, был разрешен парадокс, который когда-то поднял кот Шредингера – перенос квантовой суперпозиции (распадающегося атома) на большой объект (кота). Теперь мы понимаем, что в то время как маленькие объекты, такие как атомы, могут существовать в суперпозиции в течение длительного времени, большой объект очень быстро установится в одном конкретном состоянии. Вот почему мы никогда не наблюдаем живых и мертвых кошек.
9.Но они контролируют мелкие масштабы
В квантовой механике каждая частица также является волной, и каждая волна также является частицей. Выводы квантовой механики становятся очевидными, если наблюдать частицу на расстояниях, близких к соответствующей длине волны. Вот почему атомная и субатомная физика не может быть объяснена без квантовой механики, в то время как планетные орбиты определенно не изменяются квантовым действием.
8.Квантовые воздействия не обязательно малы
Обычно мы не видим квантовых эффектов на больших расстояниях, потому что необходимые корреляции очень хрупкие. Однако относитесь к ним достаточно осторожно, и квантовые эффекты могут продолжаться на больших расстояниях. Фотоны, например, запутались в разделениях на несколько сотен километров. В конденсатах Бозе-Эйнштейна вырожденное состояние вещества, полученное при низких температурах, до нескольких миллионов атомов было переведено в одно когерентное квантовое состояние. И, наконец, некоторые исследователи даже допускают, что темная материя может оказывать квантовое воздействие, которое распространяется на целые галактики.
7 Все дело в неопределенности
Фундаментальный постулат квантовой механики состоит в том, что существуют пары видимого, которые нельзя измерить одновременно, как, например, положение и импульс частицы. Квантовая правда о нашей Вселенной заключается в том, что пары называются «сопряженными переменными», и невозможность точно измерить оба их значения – вот что отличает квантованную теорию от неквантованной. В квантовой механике эта теория является фундаментальной не из-за экспериментальных недостатков. Одним из самых странных проявлений этого является неопределенность энергии и времени, которая предполагает, что нестабильные частицы имеют естественно неопределенные массы благодаря E = mc2 Эйнштейна.
6.Эйнштейн не опровергал это
Вопреки распространенному мнению, Эйнштейн не отрицал квантовую механику. Вероятно, не могло быть – теория поначалу была настолько успешной, что ни один серьезный специалист не мог ее опровергнуть. Фактически, это было его лауреатом Нобелевской премии открытие фотоэлектрического удара, доказывающее, что фотоны ведут себя как частицы, а также как волны, которые были одним из основных открытий квантовой механики. Вместо этого Эйнштейн оспаривал неполноту теории и полагал, что естественная случайность квантовых процессов должна иметь глубокое объяснение. Не то чтобы он считал случайность неправильной, он просто считал, что это не конец истории. Для превосходного изложения взглядов Эйнштейна на квантовую механику я советую статью Джорджа Массера «Что на самом деле думал Эйнштейн о квантовой механике».
5 Квантовая физика – область интенсивных исследований
Теория возникла более века назад. Но многие точки зрения на него можно было проверить только с помощью современных технологий. Квантовая оптика, квантовые вычисления, квантовая термодинамика, квантовая криптография, квантовая информация и квантовая метрология – все они сформировались в последнее время и сразу же стали очень интенсивными областями исследований. Новые способности, полученные с помощью этих технологий, возродили инвестиции в основы квантовой механики.
4 На расстоянии нет странных действий
Нигде в квантовой механике данные никогда не отправляются нелокально, так что они перепрыгивают через участок пространства без необходимости проходить все позиции между ними. Запутанность сама по себе нелокальна, но она не выполняет никаких действий – это ассоциация, которая не связана с нелокальным изменением информации или каким-либо другим видимым. Когда вы понимаете исследование, в котором два запутанных фотона разделены большим расстоянием, а затем измеряется вращение каждого из них, нет данных, передаваемых со скоростью, превышающей скорость света. Фактически, если вы попытаетесь объединить результаты двух наблюдений, эти данные могут перемещаться только со скоростью света, но не быстрее! То, что формирует «информацию», было большим источником неопределенности на заре квантовой механики, но сегодня мы знаем, что теория может быть идеально согласована сСпециальная теория относительности Эйнштейна, в которой данные не могут перемещаться быстрее скорости света. Это одна из самых важных квантовых истин о нашей Вселенной.
3 Запутанность – не то же самое, что суперпозиция
Квантовая суперпозиция – это способность системы находиться в двух различных состояниях одновременно, и все же при измерении постоянно обнаруживается определенное состояние и никогда не суперпозиция. С другой стороны, запутанность – это ассоциация между двумя или более частями системы – нечто совершенно иное. Суперпозиция – это не просто: является ли состояние суперпозицией или нет, зависит от того, что вам нужно измерить. Состояние может, например, находиться в суперпозиции позиций, а не в суперпозиции момента, поэтому вся концепция расплывчата. С другой стороны, запутанность однозначна: это фундаментальное свойство каждой системы и самая известная мера квантовости системы.
2 Квантование не обязательно подразумевает дискретность
«Кванты» по определению представляют собой дискретные частицы, но не все становится коренастым или неотделимым на коротких масштабах. Квантовые истины о нашей Вселенной состоят в том, что электромагнитные волны состоят из квантов, называемых «фотонами», поэтому волны можно рассматривать как дискретизированные. А электронные оболочки вокруг атомного ядра могут иметь просто четкие дискретные радиусы. Но другие характеристики частиц не становятся дискретными даже в квантовой теории. Например, состояние электронов в проводящей зоне металла не является дискретным – электрон может занимать любое непрерывное положение в пределах зоны.
1 Все квантово
Теперь мы знаем, что некоторые вещи являются квантово-механическими, а другие нет. Все подчиняется одним и тем же законам квантовой механики – просто квантовые эффекты больших объектов очень трудно увидеть. Вот почему квантовая механика опоздала в эволюции теоретической физики: только когда физикам пришлось обосновать, почему электроны сидят на оболочках вокруг атомного ядра, квантовая механика стала незаменимой для точных предсказаний.
10 квантовых истин о нашей Вселенной
- Все квантово
- Квантование не обязательно подразумевает дискретность
- Запутанность – не то же самое, что суперпозиция
- На расстоянии нет странных действий
- Квантовая физика – область интенсивных исследований
- Эйнштейн не опровергал это
- Все дело в неопределенности
- Квантовые воздействия не обязательно малы
- Но они контролируют мелкие масштабы
- Кот Шредингера либо мертв, либо жив, но не то и другое вместе
Автор: AC Claudia