Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье
Квантовая запутанность возникает, когда становятся связанными друг с другом две частицы или более. То, что происходит с одной частицей, сразу же влияет на другую, несмотря на расстояние между ними.
Например, два фотона взаимодействовали, т. е. запутались [12] между собой, и улетели друг от друга на большое расстояние. И если мы измерим спин (момент вращения) первой частицы, он окажется положительным, а спин второй – всегда отрицательным, и наоборот. Правда, как только мы измерим одну частицу, запутанное состояние пропадёт. Измерение параметра одной частицы всегда сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанности другой.
Такая взаимозависимость сохраняется, даже если микрообъекты разнесены в пространстве на громадные расстояния. Были проведены опыты с запутанными фотонами, разнесёнными на тысячу километров, и они показали эту связь.
Квантовая запутанность немного отличается от классической. Как в примере с перчатками: ведь я не знала, какая перчатка к какому адресату отправлена, но тем не менее летела уже определённая перчатка. А в микромире во Вселенной нет точной информации о частице, пока мы её не пронаблюдали. Нет информации, как ориентирован спин частицы. Но как только мы измерим спин одной частицы, то тут же узнаем спин другой.
Запутаться могут любые частицы, которые взаимодействовали друг с другом (например, две частицы, появившиеся в результате распада атома). Запутанных частиц может быть сколько угодно. И запутаться они могут по любому квантовому числу (это число, характеризующее квантовую систему; спин – одно из них).
Квантовая запутанность, или, как Эйнштейн называл это явление, «жуткое действие на расстоянии», – одно из самых мистических явлений квантовой физики. По сути, это – отсутствие независимости в квантовых системах.
Благодаря квантовой запутанности был создан квантовый компьютер, развивается квантовая криптография, которая позволит получить полную сохранность данных, и происходит много других интереснейших явлений.
Задание
Подумайте, какие явления макромира вы могли бы связать с квантовой запутанностью.
Глава 7
Философские бои
В 1927 году на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе начался знаменитый спор, продлившийся несколько лет. Самые выдающиеся физики обсуждали смысл законов квантовой физики, а по сути – основы устройства мироздания.
Сольвеевский конгресс (1927)
Это фото называется «самое умное фото в мире», потому что на нём можно увидеть Макса Планка, Альберта Эйнштейна, Нильса Бора, Эрвина Шрёдингера, Вольфганга Паули, Вернера Гейзенберга. И единственную женщину – Марию Кюри.
В споре по одну сторону были Эйнштейн и Шрёдингер. Они верили, что у любого события есть своя логическая причина. И что случайность – это иллюзия, возникающая из-за недостатка наших знаний о предмете. Что существуют скрытые параметры, которые позволят узнать всё.
С другой стороны находились Бор и Гейзенберг – как их называли, «квантовые бунтари». Они считали, что микромир очень отличается от привычного «большого» мира. Классической причинности не существует, скрытых параметров нет. Нам только кажется, что есть события, обязанные следовать одно за другим (например, если вы пнёте мяч, он полетит вперёд). Однако это усреднённый результат очень большого числа событий микромира, каждое из которых просто вероятностно. Среди многих миллиардов частиц результат достаточно предсказуем, но каждая из них ведёт себя в соответствии с волновой функцией.
Эйнштейн раз за разом приводил примеры, которые демонстрировали абсурдность квантовой теории. Но Бору удавалось их объяснять, используя уже доказанные законы. Один из участников дебатов, Пауль Эренфест, писал: «Всё выглядело как шахматная партия. Эйнштейн выдаёт каждый раз новый пример… Бор постоянно разыскивает в тёмном облаке философических туманностей нужный инструмент, чтобы разбивать пример за примером».
«Бог не играет в кости», – сказал Эйнштейн свою знаменитую фразу, пытаясь отстоять детерминизм как идею причинно-следственных связей. Бор на это ответил: «Не указывайте Богу, что Ему делать».
#физикишутят
Знаменитые дебаты стали питательной средой для дальнейших исследований. И увеличили популярность квантовой физики.
Физик Джон Уилер, создатель термина «чёрные дыры» и автор эксперимента с отложенным выбором, который мы рассматривали во второй части, писал: «Это были величайшие дебаты из всех мне известных в нашей интеллектуальной истории. За тридцать лет я ни разу не слышал о публичном споре двух более великих людей, который продлился бы дольше и был бы посвящён более глубокому вопросу с более глубокими последствиями для понимания этого нашего странного мира».
Спор выиграли Бор и «квантовые бунтари». Их «не-детерминистская» интерпретация квантовой механики стала самой распространённой в физике на многие десятилетия и является таковой и сегодня. Она называется копенгагенской интерпретацией.
Однако Эйнштейн и Шрёдингер тоже были на высоте. Им удалось выявить слабые места копенгагенской интерпретации. И ключевая точка их критики – один замечательный кот, споры о котором не утихают до сих пор. О нём мы и поговорим в следующей части.
Резюме и задания
Резюме
Волновая функция
…по-научному. Уравнение Шрёдингера – это главное уравнение квантовой физики. Его решение – волновая функция (комплексная функция), описывающая состояние квантовой системы.
…простыми словами. Волновая функция (а точнее, квадрат её
