Несмотря на звучность и загадочность сегодняшней темы, мы постараемся рассказать, что изучает квантовая физика, простыми словами , какие разделы квантовой физики имеют место быть и зачем нужна квантовая физика в принципе.

Предлагаемый ниже материал доступен для понимания любому .

Прежде чем разглагольствовать о том, что изучает квантовая физика, будет уместно вспомнить, с чего же все начиналось…

К середине XIX века человечество вплотную занялось изучением проблем, решить которые посредством привлечения аппарата классической физики было невозможно.

Ряд явлений казались «странными». Отдельные вопросы вообще не находили ответа.

В 1850-е годы Уильям Гамильтон, полагая, что классическая механика не способна точно описать движение световых лучей, предлагает собственную теорию, вошедшую в историю науки под названием формализм Гамильтона-Якоби, в основе которой лежал постулат о волновой теории света.

В 1885 г., поспорив с приятелем, швейцарский и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий с очень высокой точностью.

Объяснить причины выявленных закономерностей Бальмер тогда так и не смог.

В 1895 г. Вильгельм Рентген при исследовании катодных лучей открыл излучение, названное им X-лучами (впоследствии переименованными в лучи), характеризовавшееся мощным проникающим характером.

Еще через год – в 1896 году – Анри Беккерель, изучая соли урана, открыл самопроизвольное излучение с аналогичными свойствами. Новое явление было названо радиоактивностью.

В 1899 году была доказана волновая природа рентгеновских лучей.

Фото 1. Родоначальники квантовой физики Макс Планк, Эрвин Шредингер, Нильс Бор

1901-ый год ознаменовался появлением первой планетарной модели атома, предложенной Жаном Перреном. Увы, ученый сам же отказался от этой теории, не найдя ей подтверждения с позиций теории электродинамики.

Спустя два года ученый из Японии Хантаро Нагаока предложил очередную планетарную модель атома, в центре которого должна была находиться положительно заряженная частица, вокруг которой по орбитам вращались бы электроны.

Эта теория, однако, не учитывала излучение, испускаемое электронами, а потому не могла, например, объяснить теорию спектральных линий.

Размышляя над строением атома, в 1904 году Джозеф Томсон впервые интерпретировал понятие валентности с физической точки зрения.

Годом рождения квантовой физики, пожалуй, можно признать 1900-ый, связывая с ним выступление Макса Планка на заседании Немецкого физического .

Именно Планк предложил теорию, объединившую множество доселе разрозненных физических понятий, формул и теорий, включая постоянную Больцмана, увязывающую энергию и температуру, число Авогадро, закон смещения Вина, заряд электрона, закон излучения -Больцмана…

Им же введено в обиход понятие кванта действия (вторая – после постоянной Больцмана – фундаментальная постоянная).

Дальнейшее развитие квантовой физики напрямую связано с именами Хендрика Лоренца, Альберта Эйнштейна, Эрнста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и многих других замечательных ученых, творивших в первой половине XX века.

Ученым удалось с небывалой глубиной познать природу элементарных частиц, изучить взаимодействия частиц и полей, выявить кварковую природу материи, вывести волновую функцию, объяснить фундаментальные понятия дискретности (квантования) и корпускулярно-волнового дуализма.

Квантовая теория как никакая другая приблизила человечество к пониманию фундаментальных законов мироздания, заменила привычные понятия более точными, заставила переосмыслить огромное число физических моделей.

Что изучает квантовая физика?

Квантовая физика описывает свойства материи на уровне микроявлений, исследуя законы движения микрообъектов (квантовых объектов).

Предмет изучения квантовой физики составляют квантовые объекты, обладающие размерами 10 −8 см и меньше. Это:

• молекулы,
• атомы,
• атомные ядра,
• элементарные частицы.

Главные характеристики микрообъектов — масса покоя и электрический заряд. Масса одного электрона (me) равна 9,1 · 10 −28 г.

Для сравнения – масса мюона равна 207 me, нейтрона – 1839 me, протона 1836 me.

Некоторые частицы вообще не имеют массы покоя (нейтрино, фотон). Их масса составляет 0 me.

Электрический заряд любого микрообъекта кратен величине заряда электрона, равного 1,6 · 10 −19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю.

Фото 2. Квантовая физика заставила пересмотреть традиционные взгляды на понятия волны, поля и частицы

Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц.

К числу свойств микрообъектов относится спин (в дословном переводе с английского — «вращаться»).

Его принято интерпретировать как не зависящий от внешних условий момент импульса квантового объекта.

Спину сложно подобрать адекватный образ в реальном мире. Его нельзя представлять вращающимся волчком из-за его квантовой природы. Классическая физика описать этот объект не способна.

Присутствие спина влияет на поведение микрообъектов.

Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира, большая часть которых – нестабильных объектов — самопроизвольно распадается, превращаясь в другие квантовые объекты.

Стабильные микрообъекты, к которым относят нейтрино, электроны, фотоны, протоны, а также атомы и молекулы, способны распадаться лишь под воздействием мощной энергии.

Квантовая физика полностью вбирает в себя классическую физику, рассматривая ее своим предельным случаем.

Фактически квантовая физика и является – в широком смысле – современной физикой.

То, что описывает квантовая физика в микромире, воспринять невозможно. Из-за этого многие положения квантовой физики трудно представимы, в отличие от объектов, описываемых классической физикой.

Несмотря на это новые теории позволили изменить наши представления о волнах и частицах, о динамическом и вероятностном описании, о непрерывном и дискретном.

Квантовая физика – это не просто новомодная теория.

Это теория, которая сумела предсказать и объяснить невероятное количество явлений – от процессов, протекающих в атомных ядрах, до макроскопических эффектов в космическом пространстве.

Квантовая физика – в отличие от физики классической – изучает материю на фундаментальном уровне, давая интерпретации явлениям окружающей действительности, которые традиционная физика дать не способна (например, почему атомы сохраняют устойчивость или действительно ли элементарные частицы являются элементарными).

Квантовая теория дает нам возможность описывать мир более точно, нежели это было принято до ее возникновения.

Значение квантовой физики

Теоретические наработки, составляющие сущность квантовой физики, применимы для исследования как невообразимо огромных космических объектов, так и исключительно малых по размерам элементарных частиц.

Квантовая электродинамика погружает нас в мир фотонов и электронов, делая акцент на изучении взаимодействий между ними.

Квантовая теория конденсированных сред углубляет наши познания о сверхтекучих жидкостях, магнетиках, жидких кристаллах, аморфных телах, кристаллах и полимеров.

Фото 3. Квантовая физика дала человечеству гораздо более точное описание окружающего мира

Научные исследования последних десятилетий сосредоточены на изучении кварковой структуры элементарных частиц в рамках самостоятельной ветви квантовой физики – квантовой хромодинамики .

Нерелятивистская квантовая механика (та, что находится за рамками теории относительности Эйнштейна) изучает микроскопические объекты, движущиеся с условно невысокой скоростью (меньше, чем ), свойства молекул и атомов, их строение.

Квантовая оптика занимается научной проработкой фактов, сопряженных с проявлением квантовых свойств света (фотохимических процессов, теплового и вынужденного излучений, фотоэффекта).

Квантовая теория поля является объединяющим разделом, вобравшим в себя идеи теории относительности и квантовой механики.

Научные теории, разработанные в рамках квантовой физики, придали мощный импульс развитию , квантовой электроники, техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.

Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание , космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.

Новый эксперимент может пролить свет на удивительную скрытую механику квантовых суперпозиций.

Суперпозиция - понятие о том, что крошечные объекты могут существовать в нескольких местах или состояниях одновременно - является краеугольным камнем квантовой физики. Новый эксперимент пытается пролить свет на это загадочное явление.

Главный вопрос в квантовой механике, на который никто не знает ответа: что на самом деле происходит в суперпозиции - своеобразном состоянии, в котором частицы находятся в двух или более местах или состояниях одновременно? Группа исследователей из Израиля и Японии предложила эксперимент, который, наконец, позволит нам узнать что-то точное о природе этого загадочного явления.

Их эксперимент, который, по словам исследователей, может быть выполнен в течение нескольких месяцев, должен позволить ученым понять, где фактически находится объект - в конкретном случае частица света, называемая фотоном - когда она находится в суперпозиции. И исследователи предсказывают, что ответ будет еще более странным и шокирующим, чем «два места сразу».

Классический пример суперпозиции включает в себя обстрел фотонов сквозь две параллельные щели в барьере. Одним из фундаментальных аспектов квантовой механики является то, что крошечные частицы могут вести себя подобно волнам, так что те, которые проходят через одну щель, «мешают» тем, кто проходит через другую, их волнистые ряби, увеличивая или меняя друг друга, создают характерную структуру на экране детектора. Странная вещь, однако, заключается в том, что это вмешательство происходит, даже если одновременно выстреливается только одна частица. Частица как бы проходит через обе щели сразу. Это и есть суперпозиция.

И это очень странно: измерение того, через какую именно щель преодолевает частица, неизменно указывает на то, что она проходит только через одну щель, и в таком случае волновая интерференция («квантовость», если хотите) исчезает. Сам акт измерения, похоже, «разрушает» суперпозицию. «Мы знаем, что в суперпозиции происходит нечто странное » - говорит физик Авшалом Элицер из израильского института перспективных исследований. «Но вы не можете это измерить. Это то, что делает квантовую механику настолько загадочной».

На протяжении десятилетий исследователи останавливались в этом очевидном тупике. Они не могут точно сказать, что такое суперпозиция, не наблюдая за ней; но если они попытаются взглянуть на неё, она исчезнет. Одно из возможных решений, разработанных бывшим наставником Элицура, израильским физиком Якиром Ааароновым в Университете Чепмена и его сотрудниками, предлагает способ узнать что-то о квантовых частицах перед измерением. Ахароновский подход называется формализмом двух состояний (TSVF) квантовой механики, а постулаты квантовых событий в некотором смысле определяются квантовыми состояниями не только в прошлом, но и в будущем. То есть, TSVF предполагает, что квантовая механика работает одинаково как вперед, так и назад во времени. С этой точки зрения причины, по-видимому, могут распространяться назад во времени, возникающие после эффектов.

Но не нужно воспринимать это странное понятие буквально. Скорее всего, в TSVF можно получить ретроспективное знание о том, что произошло в квантовой системе: вместо того, чтобы просто измерять, где заканчивается частица, исследователь выбирает конкретное место для поиска. Это называется post-selection, и оно предоставляет больше информации, чем любой безусловный взгляд на результаты. Это связано с тем, что состояние частицы в любой момент оценивается ретроспективно в свете всей ее истории вплоть до измерения, включая измерение. Получается, что исследователь - просто выбрав для поиска конкретный результат - затем приходит к выводу, что результат должен произойти. Это немного похоже на то, как если вы включаете телевизор в момент, когда должна транслироваться ваша любимая программа, но само ваше действие заставляет эту программу транслироваться в этот самый момент. «Общепризнано, что TSVF математически эквивалентен стандартной квантовой механике» - говорит Дэвид Уоллес, философ науки в Университете Южной Калифорнии, специализирующийся на интерпретации квантовой механики. «Но это приводит к тому, что некоторые вещи не видят иначе».

Возьмем, к примеру, вариант двухсекундного эксперимента, разработанного Аароновым и сотрудником Левом Вайдманом в 2003 году, который они интерпретировали с помощью TSVF. Пара описала (но не построила) оптическую систему, в которой один фотон действует как «затвор», который закрывает щель, заставляя другой «пробный» фотон приближаться к щели, чтобы отражаться так, как она появилась. После измерений пробного фотона, как показали Ахаронов и Вайдман, можно заметить фотоснимок затвора в суперпозиции, закрывающей одновременно (или даже произвольно много) щелей одновременно. Другими словами, этот мысленный эксперимент в теории позволил бы с уверенностью сказать, что фотон затвора одновременно находится «здесь» и «там». Хотя эта ситуация кажется парадоксальной из нашего повседневного опыта, это один хорошо изученный аспект так называемых «нелокальных» свойств квантовых частиц, где все понятие четко определенного положения в космосе растворяется.

В 2016 году физики Рио Окамото и Шигеки Такеучи из Киотского университета экспериментально подтвердили предсказания Ааронова и Вайдмана, используя светопроводящую схему, в которой фотосъемка затвора создается с помощью квантового маршрутизатора, устройства, которое позволяет одному фотону управлять маршрутом другого. «Это был новаторский эксперимент, который позволил установить одновременное положение частицы в двух местах» - говорит коллега Элицура Элиаху Коэн из Оттавского университета в Онтарио.

Теперь Элицур и Коэн объединились с Окамото и Такеучи, чтобы придумать еще более умопомрачительный эксперимент. Они считают, что это позволит исследователям с уверенностью узнать больше о расположении частицы в суперпозиции в последовательности разных точек времени до того, как будут сделаны какие-либо фактические измерения.

На этот раз маршрут зондового фотона будет разделен на три части зеркалами. Вдоль каждого из этих путей он может взаимодействовать с фотоном затвора в суперпозиции. Эти взаимодействия можно считать выполненными в коробках с надписью A, B и C, каждая из которых расположена вдоль каждого из трех возможных путей фотона. Рассматривая самоинтерференцию зондового фотона, можно будет ретроспективно заключить с уверенностью, что частица затвора находилась в данном ящике в определенное время.

Эксперимент сконструирован таким образом, чтобы пробный фотон мог показывать только интерференцию в случае взаимодействия с фотоном затвора в определенной последовательности мест и времен: а именно, если фотон затвора находился в обоих блоках A и C в некоторый момент времени (t1), то при более позднем времени (t2) - только в C и еще в более позднее время (t3) - как в B, так и в C. Таким образом, интерференция в зондирующем фотоне была бы окончательным признаком того, что фотон затвора действительно проходит через эту странную последовательность разрозненных явлений среди ящиков в разное время - идея Элицура, Коэна и Ааронова, которые в прошлом году предположили, что одна частица одновременно проходит по трем ящикам. «Мне нравится, как эта статья ставит вопросы о том, что происходит с точки зрения целых историй, а не мгновенных состояний», - говорит физик Кен Уортон из Университета штата Сан-Хосе, который не участвует в новом проекте. «Говорить о «состояниях»- это старая повсеместная предвзятость, тогда как полные истории, как правило, гораздо более богаты и интересны».

Это именно то, к чему, по утверждению Элицура дает доступ новый эксперимент с TSVF. Очевидное исчезновение частиц в одном месте за один раз - и их повторное появление в других местах и времени - предполагает новое и необычное видение лежащих в основе процессов, связанных с нелокальным существованием квантовых частиц. Благодаря объективу TSVF, говорит Элицур, это мерцающее, постоянно меняющееся существование можно понять как серию событий, в которых присутствие частицы в одном месте каким-то образом «отменяется» своей собственной «противоположной стороной» в том же месте. Он сравнивает это с понятием, введенным британским физиком Полом Дираком в 1920-х годах, который утверждал, что частицы обладают античастицами, и, если их собрать вместе, частица и античастица могут уничтожить друг друга. Эта картина сначала казалась просто манерой говорить, но вскоре привела к открытию антиматерии. Исчезновение квантовых частиц не является «аннигиляцией» в этом же смысле, но оно несколько аналогично - эти предполагаемые противоположные частицы, полагает Элицур, должны обладать отрицательной энергией и отрицательной массой, позволяя им отменить их аналоги.

Поэтому, хотя традиционные «два места одновременно» суперпозиции могут казаться довольно странными, «возможно, суперпозиция представляет собой совокупность состояний, которые еще более сумасшедшие» - говорит Элицур. «Квантовая механика просто рассказывает вам об их среднем состоянии». Последующий выбор позволяет изолировать и проверить только некоторые из этих состояний с большим разрешением, предполагает он. Такая интерпретация квантового поведения была бы, по его словам, «революционной», потому что это повлекло бы за собой до сих пор недопустимый зверинец реальных (но очень странных) состояний, лежащих в основе противоречивых квантовых явлений.

Исследователи говорят, что проведение фактического эксперимента потребует тонкой настройки производительности их квантовых маршрутизаторов, но они надеются, что их система будет готова к нему через три-пять месяцев. Пока некоторые наблюдатели ожидают его с замиранием сердца. «Эксперимент должен работать, - говорит Уортон, - но он никого не убедит, поскольку результаты прогнозируются стандартной квантовой механикой». Другими словами, не нет веских оснований интерпретировать результат в терминах TSVF.

Элицур соглашается, что их эксперимент мог быть задуман с использованием общепринятого взгляда на квантовую механику, которая царила десятилетия назад, но этого никогда не было. «Разве это не является хорошим показателем надежности TSVF ?» - спрашивает он. И если кто-то подумает, что они могут сформулировать другую картину того «что действительно происходит» в этом эксперименте, используя стандартную квантовую механику, он добавляет: «Хорошо, пусть они попробуют! »

Пустое пространство – не пусто

Современные исследования показали: пустое пространство – не пусто. Оно наполнено колоссальной энергией. В каждом кубическом сантиметре абсолютного вакуума этой энергии столько, сколько не содержится во всех материальных объектах нашей Вселенной!

А если копнуть еще глубже? За тысячи лет до Демокрита индийские мудрецы знали, что за пределами реальности, которая воспринимается нашими органами чувств, существует другая, более «важная» реальность. Индуизм учит: мир внешних форм – это всего лишь майя, иллюзия. Он совсем не таков, как мы его воспринимаем. Есть «высшая реальность» – более фундаментальная, чем материальная Вселенная. Из нее исходят все феномены нашего иллюзорного мира, и она каким-то образом связана с человеческим сознанием.

По существу, нет ничего имеющего какое-то значение – все абсолютно иллюзорно. Даже самые массивные предметы – все это невещественная материя, очень смахивающая на мысль; в общем, все вокруг – сконцентрированная информация. – Джеффри Сатиновер, доктор медицины

К этому же пришла сегодня и квантовая физика. Ее положения таковы: в основе физического мира лежит абсолютно «нефизическая» реальность; это реальность информации, или «вероятностных волн», или сознания. Если говорить более определенно, то следует выразиться так: на своих глубинных уровнях наш мир представляет собой фундаментальное поле сознания; оно создает информацию, определяющую существование мира

Ученые выяснили, что атомная система – ядро и электроны – представляет собой не совокупность микроскопических материальных тел, а устойчивый волновой паттерн. Затем оказалось, что об устойчивости говорить не приходится: атом – это кратковременное взаимное наложение (сгущение) энергетических полей. Добавим к этому следующий факт. Соотношения линейных размеров ядра, электронов и радиусов электронных орбит таково, что можно смело утверждать: атом почти полностью состоит из пустоты. Удивительно, как это мы не проваливаемся сквозь стул, когда садимся на него – ведь он есть одна сплошная пустота! Правда, и пол таков же, и земная поверхность… Есть ли в мире что-нибудь достаточно «наполненное», чтобы мы не провалились?!

Что реальнее – сознание или материя?

Доктор медицины Эндрю Ньюберг исследовал духовный опыт, полученный разными людьми, как невролог и описал результаты своей работы в книгах «Почему не уходит Бог? Наука о мозге и биология веры» и «Мистический ум. Исследование биологии веры». «Человек, испытавший духовное озарение, – пишет он, – ощущает, что прикоснулся к подлинной реальности, которая является фундаментом и причиной всего остального». Материальный мир представляет собой некий поверхностный, вторичный уровень этой реальности.

«Нам необходимо тщательно исследовать отношения между сознанием и физической Вселенной. Возможно, материальный мир – производный от реальности сознания; возможно, сознание – это основной материал Вселенной». Доктор Ньюберг

Реальность – результат выбора?

А может быть, наши ежесекундные интерпретации реальности в повседневной жизни – просто результат выбора «демократического большинства»? Или, говоря другими словами, реальным представляется то, что считает реальностью большинство людей? Если в комнате находится десять человек и восемь из них видят стул, а два – марсианина, кто из них сошел с ума? Если двенадцать человек воспринимают озеро как замкнутую в берегах водную массу, а один считает его сплошным твердым телом, по которому можно ходить, – кто из них бредит?

Возвращаясь к понятиям предыдущей главы, мы теперь можем сказать: парадигма – это просто общепринятая модель того, что считается реальным. Мы голосуем за эту модель своими действиями, и она становится нашей реальностью. Но тогда возникает Великий Вопрос: «Может ли сознание творить реальность?» Не потому ли никто так и не дал ответа на этот вопрос, потому что сама реальность и есть ответ?

Эмоции и восприятие мира

Есть чисто анатомическое свидетельство того, что информацию о мире нам дает мозг, а не глаза. В том месте глазного яблока, где оптический нерв проходит к задней части мозга, нет никаких зрительных рецепторов. Поэтому следовало бы ожидать: если мы закроем один глаз, увидим в центре «картинки» черное пятно. Но этого не происходит – и только потому, что «картинку» рисует мозг, а не глаз.

Мало того – мозг не делает различия между тем, что человек реально видит, и тем, что он воображает. Похоже, что он даже не видит разницы между выполненным и воображаемым действием.

Этот феномен открыл в 1930-х годах доктор медицины Эдмунд Джекобсон (создатель техники постепенного расслабления в целях снятия стресса). Он просил испытуемых представить себе определенные физические действия. И обнаружил: в процессе визуализации их мышцы едва заметно сокращаются в точном соответствии с теми движениями, которые совершались мысленно. Теперь эту информацию используют спортсмены всего мира: они включают в программу подготовки к соревнованиям визуальные тренировки.

Ваш мозг не видит разницы между миром внешним и миром вашего воображения. – Джо Диспенза

Исследования доктора Перт из Национального института здоровья (США) позволяют предположить: восприятие мира человеком определяется не только его представлениями о том, что реально, а что – нет, но и его отношением к информации, поставляемой органами чувств.

От последнего во многом зависит, воспримем ли мы что-либо, а если воспримем, то как именно. Доктор говорит: «Наши эмоции определяют то, на что стоит обращать внимание… И решение о том, что достигнет нашего сознания, а что будет отброшено и останется на глубинных уровнях тела, принимается в момент воздействия внешних раздражений на рецепторы».

Итак, суть дела более или менее ясна. Мы сами создаем мир, который воспринимаем. Когда я открываю глаза и оглядываюсь вокруг, то вижу не реальность «как она есть», а мир, который способно воспринять мое «сенсорное оборудование» – органы чувств; мир, который позволяет мне видеть моя вера; мир, отфильтрованный эмоциональными предпочтениями.

Основы квантовой механики

Известное встречается с неизвестным

За последующее столетие возникла совершенно новая наука, известная как квантовая механика, квантовая физика или просто квантовая теория. Она не заменяет ньютоновскую физику, которая прекрасно описывает поведение крупных тел, т. е. объектов макромира. Она была создана, чтобы объяснить субатомный мир: в нем теория Ньютона беспомощна.

Вселенная – очень странная штука, – говорит один из основателей нанобиологии доктор Стюарт Хамерофф. – Похоже, есть два набора законов, управляющих ею. В нашем повседневном, классическом мире все описывается ньютоновскими законами движения, открытыми сотни и сотни лет назад… Однако при переходе в микромир, на уровень атомов, начинает действовать совершенно иной свод «правил». Это – квантовые законы».

Факты или фантастика? Одно из самых глубоких философских различий между классической и квантовой механикой заключается в следующем: классическая механика построена на идее о возможности пассивного наблюдения за объектами… квантовая механика насчет этой возможности никогда не заблуждалась. – Дэвид Альберт, доктор философии

Факты или фантастика?

Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно! (Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!) Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.

Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно – находясь друг от друга на любом удалении.

Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика – вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.

Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет. Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом и объектом, наблюдателем и наблюдаемым – а ведь оно властвовало над учеными умами в течение 400 лет!

В квантовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной – все принимает участие в ее существовании.

Наблюдатель

Мое сознательное решение о том, как наблюдать электрон, в некоторой степени будет определять свойства электрона. Если я буду интересоваться им как частицей, то получу о нем ответ как о частице. Если буду интересоваться им как волной – получу о нем ответ как о волне. Фритьоф Капра, физик, философ

Наблюдатель влияет на наблюдаемое

До того, как проводится наблюдение или измерение, объект микромира существует в виде вероятностной волны (строже – в качестве волновой функции).

Она не занимает никакого определенного положения и не имеет скорости. Волновая функция представляет собой лишь вероятность того, что при наблюдении или измерении объект возникнет здесь или там. Он имеет потенциальные координаты и скорость – но мы не будем знать их до тех пор, пока не начнем процесс наблюдения.

«В связи с этим, – пишет физик-теоретик Брайан Грин в книге «Ткань космоса», – когда мы определяем положение электрона, мы не измеряем объективное, ранее существовавшее свойство реальности. Скорее акт измерения плотно вплетен в создание самой измеряемой реальности». Утверждение Фритьофа Капра логически завершает рассуждения Грина: «Электрон не имеет объективных свойств, не зависимых от моего сознания».

Все это стирает грань между «внешним миром» и субъективным наблюдателем. Они, похоже, сливаются в процессе обнаружения – или создания? – окружающего нас мира.

Проблема измерения

Идея о том, что наблюдатель неизбежно влияет на любой наблюдаемый им физический процесс; о том, что мы не нейтральные свидетели происходящего, просто-напросто обозревающие предметы и события, впервые была высказана Нильсом Бором и его коллегами из Копенгагена. Вот почему эти положения часто называют копенгагенской интерпретацией.

Бор утверждал: принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает нечто большее, чем невозможность точно одновременно определить скорость и положение субатомной частицы.

Вот как описывает выдвинутые им постулаты Фред Алан Вольф: «Дело не только в том, что вы не можете измерить нечто. Этого «нечто» вообще нет – до тех пор, пока вы не начнете его наблюдать.

Гейзенберг же полагал, что оно существует само по себе». Гейзенберг не решался признать, что до вовлечения в процесс наблюдателя не было никакого «нечто». Нильс Бор не только утверждал это, но и решительно развил свои предположения.

Так как частицы не возникают до тех пор, пока мы не начнем их наблюдать, говорил он, то реальность на квантовом уровне не существует – до тех пор, пока никто ее не наблюдает и не ведет в ней измерения.

До сих пор в научной среде ведутся горячие споры (это стоит скорее назвать яростными дебатами!) о том, является ли именно человеческое сознание наблюдателя причиной «схлопывания» и перехода волновой функции в состояние частицы?

Писательница и журналистка Линн Мактаггарт так выражает эту мысль, избегая научных терминов: «Реальность – это незастывшее желе. Это не сам мир, а его потенциальность. А мы своей причастностью к нему, актом наблюдения и осмысления, заставляем это желе застыть. Так что наша жизнь – неотъемлемая часть процесса создания реальности. Его определяет наше внимание».

Во Вселенной Эйнштейна объекты обладают точными значениями всех возможных физических параметров. Большинство физиков сказали бы сейчас, что Эйнштейн ошибался. Свойства субатомной частицы проявляются только тогда, когда их принуждают к этому измерения… В тех случаях, когда они не наблюдаются… параметры микросистемы пребывают в неопределенном, «туманном» состоянии и характеризуются исключительно вероятностью, с которой может реализоваться та или иная потенциальная возможность. – Брайан Грин, «Ткань космоса» Зачем

Квантовая логика

Квантовая логика На вопрос о том, остается ли электрон неизменным, мы вынуждены ответить: «Нет». Если нас спрашивают, изменяется ли со временем положение электрона, мы должны сказать: «Нет». Если нам задают вопрос, остается ли электрон в покое, мы отвечаем: «Нет». На вопрос о том, находится ли электрон в движении, мы говорим: «Нет». – Дж. Роберт Оппенгеймер, создатель атомной бомбы

Квантовая логика Джона фон Неймана выявила главную часть проблемы измерения: к измерению приводит лишь решение наблюдателя. Это решение ограничивает степени свободы квантовой системы (например, волновой функции электрона) и таким образом влияет на результат (реальность).

Гениальный физик двадцатого века Ричард Фейнман как-то сказал, что квантовую физику вообще никто не понимает. И действительно, кажущиеся противоречащими основам здравого смысла явления корпускулярно-волнового дуализма, квантовой интерференции, переплетенности и нелокальности вот уже на протяжении века обескураживают физиков. Андрей Кананин философ и космолог, задался целью подтвердить при помощи теории квантовой физики и других последних открытий, основные положения Священного Писания. Беседу с ним вел обозреватель радиостанции «Радонеж» Александр Артамонов.

Квантовая физика подтверждает Божественное Бытие

Андрей, расскажите, пожалуйста, о том, что такое квантовая физика? Противоречит ли современная наука Библейскому взгляду на мир? Также нам немаловажно узнать о взгляде современной науки космологии на образование Вселенной.

Мы попытаемся поговорить с Вами о самых последних научных достижениях и, в то же время, как это ни странно, эти идеи подтверждают духовное Начало нашего мира.

Сегодняшнее научное понимание происхождения космоса, динамики его развития позволяют утверждать, что многие человеческие нравственные проблемы напрямую связаны с вопросом происхождения Вселенной и с процессами, которые в ней происходят. Космос кажется многим очень опасным местом, внушающим неподготовленному человеку страх или сомнение - многие думают о бесконечности холодного пространства, о ничтожности человека в этом мире. На самом деле, выясняется, что это не так! Дело в том, что все передовые специалисты - передовые физики, космологи, астрофизики - уверены в том, что наше мироздание не состоит из отдельных частей, но представляет собой единую глобальную сложную нераздельную Систему все части которой теснейшим образом связаны между собой. В течение прошлого двадцатого и ныне текущего двадцать первого века новейшие научные достижения подтверждают эти выводы.

Суть в том, что выяснилось, что теории Ньютона, Эйнштейна, Дарвина - причем неважно правильно ли или нет мы их интерпретируем - устарели. Это выяснилось именно на стыке веков, когда стало окончательно понятно, что наш мир квантовый.

- Получается, то, чему нас учат в школе, неправда?

Я бы не стал жестко говорить, что законы Ньютона неправильные. Просто более глубокое понимание мира позволяет их расширить. Разумеется, закон Ньютона правилен в том, что Земля вращается вокруг Солнца. Это закон гравитации. Но с другой стороны, последнее прочтение закона гравитационного взаимодействия показывает, что речь идет не о хаотичном вращении, а о том, что это - глубоко упорядоченный процесс.

Как нам понять доказательство существования Творца при помощи квантовой физики, если, по Вашим же словам, ее на сегодня понимают толком на планете 5-8 людей?

Да, законы квантовой физики сложны. Но любая научная дисциплина основана на определенных формулах, так что если мы говорим о математическом аппарате астрофизики, то да - действительно, он очень и очень сложен. На самом же деле квантовая физика основывается на трех базисных идеях.

Общепринятая точка зрения заключается в том, что те же законы Ньютона описывают мир в макроскопических масштабах - звезды, планеты... А вот квантовая физика описывает мир на микроскопическом уровне. То есть квант - это, в принципе, элементарная частица. Первые квантовые опыты были поставлены еще в 1801-ом году! То есть наука давно пытается подобраться к загадкам квантовых чудес. И именно в последние годы какие-то научные достижения уже позволяют давать чисто научную оценку тех экспериментов, некоторым из которых уже 200 лет!

Говоря об основных постулатах квантовой физики, первое, о чем надо сказать: когда сегодня при помощи современных коллайдеров, микроскопов, всей аппаратуры стали исследовать кванты, то выяснилось, что, двигаясь в пространстве, они грубо нарушают общепринятые законы физики. То есть, грубо говоря, творятся чудеса! То есть выяснилось, что чудеса научно возможны! Кванты нарушают скорость света, перемещаются по разным траекториям, возникают ниоткуда, пропадают в никуда... То есть нарушают общепринятые ортодоксальные взгляды на классический мир.

Итак: 3 кита квантовой физики. Первый постулат. Выяснилось, что миром правит не определенность, а вероятность. То есть аномалии движения частиц не невозможны, но маловероятны. В нашем мире маловероятное, как правило, не случается. В квантовом мире это возможно. Более того, само зарождение Вселенной следует признать уникальным и необычным событием. Возможно, сам момент Большого Взрыва был чудесным квантовым переходом состояния вещества из одного в другое. Опять-таки, обращаясь к Библейским текстам, посмотрите о том, о чем пишется во Втором Послании Апостола Петра: «У Господа один день, как тысяча лет». То есть Бог существует вне времени и не ограничен им. Во вневременном пространстве эти чрезвычайные события обретают реальность. Получается, по Божьей Воле.

Второй завораживающий квантовый эффект - это взаимосвязь частиц. Изменение одной квантовой системы оказывает немедленное воздействие на другую. И это распространяется не на отдельный кабинет или квартиру, а на весь Космос в целом. То есть если где-то изменить квантовое состояние системы, то моментально в любой части Космоса может быть эффект связанности. Таким образом, квантовая физика доказала, что все в нашем мире взаимосвязано.

И, наконец, третий, последний момент. Ученые установили, что наш мир не может существовать без разумного наблюдателя, то есть без человека. Ведь сама квантовая физика не работает до тех пор, пока не существует наблюдатель. То есть частица - то, что мы называем квантом - не занимает никакого определенного положения в материальном мире до тех пор, пока на нее кто-то не посмотрит. Это уникальное квантовое свойство, так называемое свойство наблюдателя. То есть до тех пор, пока квантовую частицу кто-то не пронаблюдает, невозможно сказать, где она находится и с какой скоростью она движется.

То есть квант может находиться одновременно в двух точках пространства и только когда взгляд наблюдателя падает на него, то можно зафиксировать, где он в настоящее время находится.

Да! Совершенно верно! Выяснилось, что реальность становится таковой только тогда, когда кто-то ее одухотворяет. Конечно же, мы не можем «посмотреть» на квант без соответствующей аппаратуры нашим взглядом. Но своим духовным присутствием в мире, как разумные наблюдатели, мы привносим нечто в этот мир, без чего он невозможен. В определенном смысле мы его «оживляем».

Логично предположить, что, если в нашем мире есть некая Сущность, которая оказывает влияние на его, мира, реализацию, то физики могут назвать такую сущность Сверхнаблюдателем. Люди же, далекие от квантовой физики, назовут его просто - Богом или Творцом, в зависимости от своей точки зрения.

Самое интересное заключается в том, видите ли, что христианство подтверждает сказанное мной Священным Писанием. В первой части Бытия есть очень интересная цитата: «И сказал Бог: «Сотворим человека по образу нашему и подобию нашему! И да владычествует он над рыбами морскими, над птицами небесными, над зверями, над всей землею!» То бишь, грубо говоря, получается, что Бог создавал этот мир для человека - зрителя этого мира. И об этом прямо говорится в библейских текстах.

Можно ли сделать вывод, что квантовая физика подтверждает целесообразность и одухотворенности космоса. Ведь квант и частица, и волна. Он переходит от нематериального к материальному.

Совершенно верно! Происходит переход от небытия к бытию. Главный вывод квантовой физики заключается в следующем. Миром правит вероятность. Второе: все в мире взаимосвязано. Третье: наш мир невозможен без разумного наблюдателя.

Эти постулаты подтверждают, что в нашем мире постоянно существует альтернатива. То, как мы смотрим, как мы представляем себе переход небытия в бытие - это и есть альтернатива. А что такое альтернатива? Это свобода выбора.

Разумеется, во Вселенной работают строгие научные законы. Но эти законы обусловливают лишь вероятность того или иного развития событий. А какое будущее наступит в действительности, это уже зависит от того, как свобода воли и выбора будет реализована конкретным разумным существом.

Что противоречит теории детерминизма. Такие взгляды присущи массово протестантам. Согласно этой теории, судьбы мира предопределены, и только мы, векторно ползущие по неизмеримо малой части гигантского круга, воспринимаем свое движение, как прямолинейное. То есть только мы ничего не понимаем, а на самом деле, все строго детерминировано. Мы считаем, что есть свобода воли, а на самом деле, мы просто не в курсе. Вы же, ссылаясь на квантовую физику, говорите, что существует несколько вариантов развития событий, и мы свободой воли все-таки обладаем...

Да, Вы правы! Именно с этого мы начали с Вами наш разговор о том, что, к сожалению, даже более или менее правильные концепции могут опираться на устаревшие взгляды. Детерминизм, о котором Вы упомянули, соответствует научному взгляду на мир пятьдесят лет назад. Но именно квантовая физика доказала, что это неверный постулат. Квантовая физика четко показывает, что в нашем мире существует альтернатива. Мало того: квантовая физика показывает, что эта альтернатива невозможна без разумных существ. А если разумные существа влияют на наш мир и обладают свободой воли, то получается, что протекающий здесь процесс не предопределенный, но вероятный! То есть от человеческой воли и понимания, что такое добро и что такое зло, проистекает некое влияние на мир.

То есть получается, что без наличия Разума - не человека, а именно Божественного Логоса - Вселенная просто не могла бы существовать?

Да. И главный смысл в том, что Вселенная - это не равнодушный зловещий механизм, в котором нет места творческому началу, а эволюция мироздания лишена какой-либо цели и смысла. Кстати, бессмысленное существование - это одна из форм Зла, если обращаться к библейским текстам.

Я же говорю несколько о другом. Понимаете, полезные свойства металла человек может обратить во вред, ударив - не дай Бог! - ножом другого человека! Теоретически можно допустить, что некая Сущность, некий Творец мог бы постоянно вмешиваться в эти процессы, превращая те же ножи в... плюшевые игрушки... Но разве такой мир интересен? Это мир автоматов, в котором нет места любви, чувствам, а главное, выбору! А уж какой выбор сделает человек - в пользу Добра или Зла - это уже его нравственный императив. Теперь Вы понимаете, насколько тесна взаимосвязь между вот этими нашими выборами и теми событиями, которые происходят, как на микроуровне во Вселенной, так и в макроплоскости.

О квантовой физике, мозге, теореме Геделя и судах присяжных. Алексей Редозубов (2015)

Третья часть из трех лекций о принципах работы мозга. Лекции прочитаны в клубе Ключ (Петербург). Это выступление было записано 9 января 2015 г. в рамках проекта «Курилка Гутенберга». Формат был невероятно сжатый (30 минут), получилась скороговорка, но зато не скучно. Ну и куда же без оговорок, например, упорно называл Хокинга Хокинсом

Квантовая механика и философия

Выступление д.ф.н., проф. Севальникова А.Ю. (Институт философии РАН) в рамках открытого междисциплинарного семинара МГУ имени М.В.Ломоносова «На стыке наук и идей».

Тайны мироздания: Серия 1 - Искривление времени

Наверняка Вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики . Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. С одной стороны, любопытно понять эти законы, но с другой стороны, нет времени читать многотомные и сложные книги по физике. Я очень понимаю Вас, потому что тоже люблю познание и поиск истины, но времени на все книги катастрофически не хватает. Вы не одиноки, очень многие любознательные люди набирают в поисковой строке: «квантовая физика для чайников, квантовая механика для чайников, квантовая физика для начинающих, квантовая механика для начинающих, основы квантовой физики, основы квантовой механики, квантовая физика для детей, что такое квантовая механика». Именно для Вас эта публикация .

Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:

• Что такое квантовая физика и квантовая механика?
• Что такое интерференция?
• Что такое квантовая запутанность (или Квантовая телепортация для чайников)? (см. статью )
• Что такое мысленный эксперимент «Кот Шредингера»? (см. статью )

Квантовая механика — это часть квантовой физики.

Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.

Пример отличия законов макро- и микромиров : в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой - шар. Но в микромире (если вместо шара - атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.

Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве . В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком» .

Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (фотон, Википедия ) .

Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия) , надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.

Квантовая физика для чайников видео . В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной загадкой для учёных-физиков.

Что такое интерференция?

В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.

Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной .

В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися контурами.

Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).

В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.

Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).

Может помните, в школе нам рассказывали на физике про «корпускулярно-волновой дуализм» ? Он означает, что когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы

Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.

Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.

Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.

Предположительно, один электрон летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?

Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!

Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.

Что такое спин и суперпозиция?

Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).

В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?

Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две щели одновременно? Есть 2 варианта.

• 1-й вариант: фотон, как волна (как вода) «проплывает» сквозь 2 щели одновременно
• 2-й вариант: фотон, как частица, летит одновременно по 2-м траекториям (даже не по двум, а по всем сразу)

В принципе, эти утверждения равносильны. Мы пришли к «интегралу по траекториям». Это формулировка квантовой механики от Ричарда Фейнмана.

Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто

Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:

Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно .

Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.

Нам остаётся просто признать, как аксиому, что «суперпозиция» квантового объекта означает то, что он может находится на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно

То же относится и к другому параметру фотона – спину (его собственному угловому моменту). Спин — это вектор. Квантовый объект можно представить как микроскопический магнитик. Мы привыкли, что вектор магнита (спин) либо направлен вверх, либо вниз. Но электрон или фотон опять говорят нам: «Ребята, нам плевать, к чему Вы привыкли, мы можем быть в обоих состояниях спина сразу (вектор вверх, вектор вниз), точно так же, как мы можем находиться на 2-х траекториях одновременно или в 2-х точках одновременно!».

Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?

Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».

Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).

Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно . Нам надо измерить его состояние.

Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.

Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?

В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики . Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.

Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Это и называется «коллапсом волновой функции» . Волновая функция до измерения была неопределённой, т.е. вектор спина электрона находился одновременно во всех направлениях, после измерения электрон зафиксировал определённое направление вектора своего спина.

Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.

А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.

Фантастика! Не правда ли?

Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.

Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:

• Что такое ?
• Что такое мысленный эксперимент .

А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.

До встречи!

Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!

P.S.2 Пишите Ваши вопросы и мысли в комментариях. Пишите, какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?

P.S.3 Подписывайтесь на блог - форма для подписки под статьёй.