10 квантових істин про наш Всесвіт
З того моменту, як було виявлено, що макроскопічні, класичні правила, що диктували електрику, магнетизм і світло, не обов’язково стосувались субатомних шкал, для людства відкрився абсолютно новий погляд на Всесвіт. Ця квантова картина набагато ширша і всеохоплююча, ніж розуміє більшість людей, включаючи багатьох фахівців. Ось десять основ квантової механіки, які можуть змусити вас переглянути, як ви уявляєте наш Всесвіт, на найменших масштабах і далі. Перевірте ці круті квантові істини про наш Всесвіт:
10 Кіт Шредінгера або мертвий, або живий, а не обидва
Щоб розпочати цей список квантових істин про наш Всесвіт, давайте спочатку повідомимо вам, що в перші дні квантової механіки це було недостатньо зрозумілим, але квантова функція макроскопічних об’єктів дуже швидко занепадає. Ця „розв’язаність" пов’язана з багаторазовою взаємодією з навколишнім середовищем, якої неможливо уникнути в помірно теплих та компактних місцях, таких як ті, що потрібні для життя. Це демонструє, що те, що ми розглядаємо як вимірювання, не потребує людини; має значення лише взаємодія з навколишнім середовищем. Це також демонструє, чому приведення великих об’єктів у суперпозицію двох різних станів є дуже складним, і суперпозиція швидко зникає.
Важким об’єктом, який до цього часу потрапляв у суперпозицію місць, є молекула вуглецю-60, тоді як найвибагливіші пропонували зробити цей тест на віруси або навіть важчі істоти, такі як бактерії. Таким чином, парадокс, який колись підняв кіт Шредінгера, – перенесення квантової суперпозиції (розкладається атома) на великий об’єкт (кішку) – вирішено. Зараз ми розуміємо, що хоча такі дрібні речі, як атоми, можуть існувати в суперпозиції протягом тривалого часу, великий об’єкт дуже швидко оселиться в одному конкретному стані. Ось чому ми ніколи не спостерігаємо котів, які є і мертвими, і живими.
9 Але вони контролюють малі масштаби
У квантовій механіці кожна частинка також є хвилею, і кожна хвиля також є частинкою. Висновки квантової механіки стають дуже очевидними, коли спостерігається частинка на відстанях, подібних до пов’язаної довжини хвилі. Ось чому атомну та субатомну фізику неможливо пояснити без квантової механіки, тоді як планетарні орбіти однозначно не змінюються внаслідок квантової дії.
8 Квантові впливи не є обов’язково малими
Зазвичай ми не бачимо квантових ефектів на великих відстанях, оскільки необхідні кореляційні зв’язки дуже крихкі. Однак ставитесь до них досить уважно, і квантові ефекти можуть тривати на великі відстані. Наприклад, фотони були заплутані в дивізіонах на кілька сотень кілометрів. У конденсатах Бозе-Ейнштейна вироджений стан речовини, що потрапляє при холодних температурах, до одного мільйона атомів переходить в один когерентний квантовий стан. І нарешті, деякі дослідники навіть визнають, що темна речовина може мати квантовий вплив, що охоплює цілі галактики.
7 Вся справа в невизначеності
Фундаментальний постулат квантової механіки полягає в тому, що є пари видимого, які неможливо одночасно виміряти, як, наприклад, положення та імпульс частинки. Квантовими істинами про наш Всесвіт є те, що пари називаються "спряженими змінними", а неможливість точно виміряти обидва їх значення – це те, що робить різницю між квантованою та неквантованою теорією. У квантовій механіці ця теорія є фундаментальною, а не через експериментальні недоліки. Одним з найдивніших проявів цього є невизначеність енергії та часу, що свідчить про те, що нестійкі частинки мають природні невизначені маси завдяки Ейнштейну E = mc2.
6 Ейнштейн цього не спростував
На відміну від поширеної думки, Ейнштейн не був заперечувачем квантової механіки. Ймовірно, він не міг бути – теорія спочатку була настільки успішною, що жоден серйозний фахівець не міг її відкинути. Насправді це було його Нобелівське відкриття фотоелектричного удару, довівши, що фотони поводились як частинки, а також як хвилі, що були одним із основних відкриттів квантової механіки. Натомість Ейнштейн заперечував, що теорія є неповною, і вважав, що природна випадковість квантових процесів повинна мати глибоке пояснення. Не те, що він вважав випадковість помилковою, він просто вірив, що це ще не закінчення історії. Для чудового викладу поглядів Ейнштейна на квантову механіку я раджу статтю Джорджа Мюссера «Що насправді думав Ейнштейн про квантову механіку».
5 Квантова фізика Інтенсивне наукове поле
Теорія почалася більше століття тому. Але багато його поглядів стали перевірятими лише завдяки сучасним технологіям. Квантова оптика, квантові обчислення, квантова термодинаміка, квантова криптографія, квантова інформація та квантова метрологія – все це нещодавно сформоване і відразу дуже інтенсивне дослідження. Завдяки новим здібностям, отриманим за допомогою цих технологій, інвестиції у основи квантової механіки відновилися.
4 Немає дивної дії на відстані
Ніде в квантовій механіці дані ніколи не надсилаються нелокально, так що вони перескакують через відрізок простору, не маючи необхідності проходити всі положення між ними. Заплутаність сама по собі не локальна, але не робить жодних дій – це асоціація, яка не пов’язана з нелокальною зміною інформації або будь-яким іншим видимим. Коли ви розумієте дослідження, де два переплутаних фотони розділені великою відстанню, а потім вимірюється спін кожного, дані не передаються швидше, ніж швидкість світла. Насправді, якщо ви спробуєте звести результати двох спостережень, ці дані можуть рухатися лише зі швидкістю світла, не швидше! Те, що утворює "інформацію", було великим джерелом невизначеності в перші дні квантової механіки, але сьогодні ми знаємо, що теорію можна цілком відповідатиТеорія особливої теорії відносності Ейнштейна, в якій дані не можуть переміщуватися швидше, ніж швидкість світла. Це одна з найважливіших квантових істин про наш Всесвіт.
3 Заплутаність не однакова, як суперпозиція
Квантова суперпозиція – це здатність системи знаходитись у двох різних станах одночасно, і все ж при вимірюванні постійно знаходити певний стан і ніколи суперпозицію. З іншого боку, заплутаність – це асоціація між двома або більше частинами системи – щось зовсім інше. Суперпозиція не є основною: чи є стан суперпозицією, чи ні, залежить від того, що вам потрібно виміряти. Наприклад, держава може перебувати в суперпозиції позицій, а не в суперпозиції моменту – тому вся концепція розмита. З іншого боку, заплутаність є однозначною: це фундаментальна властивість кожної системи та найвідоміша міра квантовості системи.
2 Квантування напевно не передбачає дискретності
“Кванти” – це дискретні частинки, за визначенням, але не все стає коротким або нерозривним на коротких масштабах. Квантові істини про наш Всесвіт полягають у тому, що електромагнітні хвилі складаються з квантів, які називаються "фотонами", тому хвилі можна вважати дискретизованими. А електронні оболонки навколо атомного ядра можуть просто мати чіткі дискретні радіуси. Але інші характеристики частинок не стають дискретними навіть у квантовій теорії. Наприклад, стан електронів у провідної зоні металу не є дискретним – електрон може заповнити будь-яке безперервне положення в зоні.
1 Все є квантовим
Тепер ми знаємо, що деякі речі є квантово-механічними, а інші ні. Все дотримується однакових законів квантової механіки – просто квантові ефекти великих об’єктів дуже важко побачити. Ось чому квантова механіка запізнилася в еволюції теоретичної фізики: лише тоді, коли фізикам довелося обґрунтовувати, чому електрони сидять на оболонках навколо атомного ядра, квантова механіка стала важливою для точних прогнозів.
10 квантових істин про наш Всесвіт
- Все є квантовим
- Квантування напевно не передбачає дискретності
- Заплутаність не однакова, як суперпозиція
- На відстані немає дивних дій
- Квантова фізика Інтенсивне наукове поле
- Ейнштейн цього не спростував
- Вся справа в невизначеності
- Квантові впливи не завжди малі
- Але вони контролюють малі масштаби
- Кіт Шредінгера або мертвий, або живий, а не обидва
Написав: AC Claudia