Про эту вашу физику - Дмитрий Владимирович Ганин
Оказалось, что прав был Нильс Бор: никакой «объективной физической реальности», о которой грезил Эйнштейн, в микромире не существует. До измерения (наблюдения) параметров частиц Вселенная сама не знает, как оно выйдет, а когда что-то станет вполне себе ясно, то обязательно станет не ясно, что-то другое. Логика Винни-Пуха, она ведь очень близка квантмеху, согласитесь?
Но что там с квантовой телепортацией? Там же происходит какая-то нездоровая вещь с передачей сигнала, превышающей скорость света. Отправляем двух экспериментаторов в разные города: в Питер и Новосибирск. Отправляем им запутанные протончики. Одновременно и синхронно измерить спин протонов не выйдет. Все равно кто-то хоть на наносекунду измерит раньше. Или на час раньше, или на день. Так вот как только в Новосибирске замеряют спин полученного протона, и тот СЛУЧАЙНЫМ образом оказывается направлен условно вверх, то тут же спин второго протона выходит из суперпозиции и оказывается направлен условно вниз. Тут второй протон как раз измеряют и убеждаются: да, спин направлен вниз. У нас тут мгновенное взаимодействие или как его еще называют «нелокальное», то есть зависящее от происходящего где-то очень далеко.
А знаете, что еще не нормально с этой нелокальностью, коллеги?
Если вы вспомните вторую главу, там, где мы обсуждали одновременность, то вы можете предположить страшную штуку: а что если выбрать такую систему отсчета, в которой замер протона сначала произойдет в Питере, а затем в Новосибирске? Это что же получается, следствие начинается раньше причины? В теории относительности, как ни пыжься, такого не бывает: сначала причина, потом следствие. Утром стулья, вечером деньги, как подсказывают мудрые классики! А с квантовой телепортацией это прокатывает.
Однако спокойствие, товарищи. Теория относительности и квантовая механика хоть и противоречат друг другу, но на территорию друг друга не заходят. Выяснилось, что вообще-то теория относительности запрещает не столько мгновенное взаимодействие, сколько передачу информации с превышающей свет скоростью. Видите ли, квантовую телепортацию не получится приспособить в качестве передатчика полезного сигнала: ни радио, ни вайфая из нее не слепишь. А все почему? Вы не сможете передать в Новосибирск требуемое значение спина, потому при каждом измерении своего протона в Питере вы будете, как уже и говорилось, получать случайное значение спина. Какая тут осмысленная передача информации? Обычный белый шум, хоть и транслирующийся мгновенно.
Но вот если совместить квантовую телепортацию с классическими средствами передачи сигнала, то можно сочинить кое-какие интересные алгоритмы для издевательств над квантовым состоянием запутанных частиц. Так ученые пришли к идее квантовых компьютеров. Но это уже другая история.
Итак, мы немного втянулись в мир квантовой механики и, надеемся поняли, что ничего не поняли, но осадочек остался. На этом можно бы уже и остановится, потому что дальнейшая квантовая физика полностью уходит в математику и многомерные пространства. Но, возможно, у нас есть еще чем поудивлять оптимистично настроенного читателя. До встречи в следующих главах.
Глава 14
Электрон в атоме
Сегодня, наши дорогие любители странного, мы неожиданно поговорим про эту вашу химию. Но не пугайтесь раньше времени, это будет рассказ о том, как работает химия с точки зрения физики и конкретно квантовой механики. Наверняка вы проходили это в школе, ничего не поняли, кое-как сдали экзамен и благополучно забыли. Теперь настало время это повторить и восхититься (или ужаснуться), мол, вот оно как на самом-то деле. Спешим успокоить запаниковавшего читателя. Никаких химических формул не будет. Причиной всего является поведение электронов в атоме. И об этом речь и пойдет.
Мы не собираемся изобретать новые аналогии и начнем с классического объяснения: мысленного эксперимента про электрон в коробке.
Представим, что у нас электрон заключен в одномерный наноящик — это, значит, такой малюсенький ящичек, в котором электрон может двигаться только влево или вправо. Маленьким он взят для наглядности и сопоставимости размеров с электроном. У стенок волшебного ящика имеется важная особенность, тоже выдуманная: электрон не может вылететь за них, они непроницаемы для электрона. Ему приходится размазываться по имеющемуся в ящике одномерному пространству. Как мы помним, до тех пор, пока мы его не трогаем (то есть не наблюдаем), электрон одновременно находится в каждой точке ящика. При этом энергия электрона не может быть нулевой. Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает нулевые энергии, как вы помните. Поэтому электрон в такой коробке постоянно в «движении», что бы это ни значило.
Однако в безумном квантовом мире есть свои законы и порядки: вероятности материализации электрона для выбранных двух соседних точек не могут меняться резко, типа вот тут мы обнаружим электрон с вероятностью 90 %, а рядом (при смещении на очень малую величину) — 2 %. Кванты квантами, а волновая функция не просто так названа — она показывает вероятности положения электрона плавно, без, так сказать, резких движений.
И возле стенок ящика получается некоторое несоответствие. Если стенки непроницаемы, то за ними совершенно логично мы наблюдаем нулевую вероятность обнаружения электрона. И, значит, распределение вероятностей электрона в ящике должно выглядеть так, чтобы при приближении к стенкам вероятность убывала до нуля.
Вот на картинке показано, как оно может быть, а как не может быть. Не забываем, что вероятность обнаружения электрона равна квадрату высоты (или глубины) гребня в данной точке. А уж вниз направлен гребень волны или вверх, это не важно: возводим амплитуду в квадрат, и все странности заметаются под ковёр!
Вообще, если подумать, то ничто не запрещает нам, то есть не нам, конечно, а электрону разделить свои вероятности на два максимума (гребня). Или на три. И даже на четыре. Лишь бы выполнялось условие плавного изменения вероятностей, и на границах ящичка эти вероятности равнялись бы нулю.
Взгляните, какие варианты имеются у электрона для красивой упаковки в наноящике:
Как всегда пытливый читатель может спросить, это что же получается, если электрон летит справа налево или наоборот, то в тех местах, где амплитуда вероятности равна нулю, его физически не будет? Он как бы проигнорирует эти точки в нанокоробке и в процессе движения телепортируется через
