Возврат машины по гарантии или квантовая физика для чайников.

Предположим, сейчас 3006 год. Вы идете в «связной» и покупаете бюджетную китайскую машину времени в рассрочку на 600 лет. Хотите шнырнуть на недельку вперед чтобы обставить букмекерскую контору. В предвкушении большого куша судорожно набираете дату прибытия на синей пластмассовой коробочке…

И вот смехота: В ней с ходу сгорает Никадимово-хрононный преобразователь. Машинка, издав предсмертный писк закидывает вас в 62342 год. Человечество разделилось на спинопяточников и оглобленных и разлетелось по дальним галактикам. Солнце распродано инопланетянам, Землей правят гигантские радиоактивные кремниевые черви. Атмосфера - смесь фтора и хлора. Температура минус 180 градусов. Земля эрозировала и вы в добавок падаете на скалу из флюоритовых кристаллов метров с пятнадцати. На последнем выдохе вы пользуетесь своим гражданским галактическим правом одного межвременного звонка по своему брелку. Звоните в центр технической поддержки «связного», где вам вежливый робот сообщает, что гарантия на машину времени составляет 100 лет и в их времени она совершенно исправна, а в 62342 году вам накапало непроизносимое человеческим речевым механизмом количество миллионов пенни по так и не выплаченной ни разу рассрочке.

Спаси и сохрани! Господи, спасибо, что мы живем в этом зачуханном медвежьем прошлом, где такие оказии невозможны!
…Хотя, нет! Просто большинство крупных научных открытий дают не столь эпичные результаты, как то представляется различным фантастам.

Лазеры не сжигают города и планеты - они записывают и передают информацию, развлекают школьников. Нанотехнологии не превращают вселенную в самовоспроизводящееся полчище наноботов. Они делают дождевик более непромокаемым, а бетон - более долговечным. Атомная бомба, взорванная в море так ни разу и не запустила цепную реакцию термоядерного синтеза ядер водорода и не превратила нас в еще одно солнце. Адронный коллайдер не вывернул планету наизнанку и не затащил весь мир в черную дыру. Искусственный интеллект уже создан, только вот над идеей уничтожения человечества он только насмехается.
Машина времени - не исключение. Дело в том, что она была создана еще в середине прошлого века. Была построена не как самоцель, а лишь как инструмент для создания одного маленько, невзрачного, но весьма примечательного устройства.

В свое время профессор Дмитрий Николаевич Грачев был сильно озадачен вопросом создания эффективных средств защиты от радиоизлучения. Задача на первый взгляд казалась невыполнимой - устройство на каждую радиоволну должно было выдавать в ответ свою такую же и при этом не быть никак привязано к источнику сигнала (поскольку он вражеский). Дмитрий Николаевич однажды наблюдал как во дворе дети играют в «вышибала». В игре побеждает самый шустрый, кто эффективнее всех уклоняется от мяча. Для этого нужна координация, а главное - умение предсказывать траекторию мяча.

Способность предсказывать определяется вычислительным ресурсом. Но в нашем случае наращивание вычислительных ресурсов ни к чему не приведет. На это не хватит скорости и точности даже у самых современных суперкомпьютеров. Речь шла о предсказании спонтанного процесса со скоростью полупериода СВЧ - радиоволны.

Профессор подобрал улетевший в кусты мяч и бросил его обратно детям. Зачем предсказывать куда летит мяч, когда он уже прилетел? Выход был найден: характеристики неизвестного входного радиосигнала прекрасно известны в недалеком будущем и вычислять их попросту незачем. Их достаточно там непосредственно измерить. Но вот незадача - перемещаться во времени даже на наносекундочку невозможно. Однако, для поставленной задачи этого и не требовалось. Нужно лишь, чтобы чувствительный элемент устройства - транзистор находился в недалеком будущем хотя бы частично. И тут на помощь пришло недавно открытое явление квантовой суперпозиции. Смысл его в том, что одна и та же частица может находиться в разных местах и временах одновременно.

По итогу профессором Грачевым была создана Массоориентированная квантовая электронная ловушка - настоящая машина времени, в которой был впервые создан полупроводниковый чип, часть электронов которого находятся в будущем и одновременно в настоящем. Прототип того самого ТМА - чипа, управляющего резонатором Грачева. Можно сказать, что эта штука всегда будет одной ногой в будущем.

Классическая физика, существовавшая до изобретения квантовой механики, описывает природу в обычном (макроскопическом) масштабе. Большинство теорий в классической физике можно вывести, как приближение, действующее в привычных для нас масштабах. Квантовая физика (она же и квантовая механика) отличается от классической науки тем, что энергия, импульс, угловой момент и другие величины связанной системы ограничены дискретными значениями (квантованием). Объекты имеют особые характеристики как в виде частиц, так и в виде волн (дуальность волновых частиц). Также в этой науке есть пределы точности, с которой можно измерить величины (принцип неопределенности).

Можно сказать, что после возникновения квантовой физики в точных науках произошла своеобразная революция, позволившая заново пересмотреть и проанализировать все старые законы, которые ранее считались непреложными истинами. Хорошо это или плохо? Пожалуй, хорошо, ведь подлинная наука никогда не должна стоять на месте.

Однако "квантовая революция" стала своеобразным ударом для физиков старой школы, которым пришлось смириться с тем, что то, во что они верили раньше, оказалось лишь набором ошибочных и архаичных теорий, нуждающихся в срочном пересмотре и адаптации к новой реальности. Большинство физиков с восторгом приняли эти новые представления о хорошо знакомой науке, внеся свою лепту в ее изучение, развитие и воплощение в жизнь. Сегодня квантовая физика задает динамику всей науке, в целом. Передовые экспериментальные проекты (вроде Большого адронного коллайдера) возникли именно благодаря ней.

Открытие

Что можно сказать об основах квантовой физики? Она постепенно возникала из различных теорий, призванных объяснить явления, которые не могли быть согласованы с классической физикой, например, решение Макса Планка в 1900 году и его подход к проблеме излучения многих научных проблем, а также соответствие между энергией и частотой в статье 1905 Альберта Эйнштейна, в которой объяснялись фотоэлектрические эффекты. Ранняя теория квантовой физики была основательно переработана в середине 1920-х годов Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и другими. Современная теория сформулирована в различных специально разработанных математических концепциях. В одной из них арифметическая функция (или волновая функция) дает нам исчерпывающую информацию об амплитуде вероятности расположения импульса.

Научное исследование волновой сущности света началось более 200 лет назад, когда великие и признанные ученые того времени предложили, разработали и доказали теорию света на основе своих собственных экспериментальных наблюдений. Они назвали ее волновой.

В 1803 году известный английский ученый Томас Янг провел свой знаменитый двойной эксперимент, в результате которого написал прославленную работу «О природе света и цвета», сыгравшую огромную роль в формировании современных представлений об этих знакомых нам всем явлениях. Этот эксперимент сыграл важнейшую роль в общем признании этой теории.

Подобные опыты часто описываются в различных книгах, например, "Основы квантовой физики для чайников". Современные эксперименты с разгоном элементарных частиц, например, поиск бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере (сокращенно БАК) проводится как раз для того, чтобы найти практическое подтверждение многих сугубо теоретических квантовых теорий.

История

В 1838 году Майкл Фарадей на радость всему миру открыл катодные лучи. Вслед за этими нашумевшими исследованиями последовало заявление о проблеме излучения, так называемого, "черного тела" (1859 год), сделанное Густавом Кирхгофом, а также знаменитое предположение Людвига Больцмана о том, что энергетические состояния любой физической системы могут быть еще и дискретными (1877 год). Уже потом появилась квантовая гипотеза, разработанная Максом Планком (1900 год). Она считается одной из основ квантовой физики. Смелая о том, что энергия может как излучаться, так и поглощаться в дискретных «квантах» (или энергетических пакетах), в точности соответствует наблюдаемым закономерностям излучения черного тела.

Большой вклад в квантовую физику внес известный всему миру Альберт Эйнштейн. Находясь под впечатлением от квантовых теорий, он разработал свою. Общую теорию относительности - так она называется. Открытия в квантовой физике повлияли и на разработку специальной теории относительности. Многие ученые в первой половине прошлого века начали заниматься этой наукой с подачи Эйнштейна. Она в то время была передовой, всем нравилась, все ею интересовались. Не удивительно, ведь она закрывала столько "дыр" в классической физической науке (правда, новые тоже создавала), предлагала научное обоснование путешествий во времени, телекинеза, телепатии и параллельных миров.

Роль наблюдателя

Любое событие или состояние зависит непосредственно от наблюдателя. Обычно именно так основы квантовой физики кратко объясняются людям, далеким от точных наук. Однако в реальности все гораздо сложнее.

Это прекрасно согласуется со многими оккультными и религиозными традициями, которые испокон веков настаивали на возможности людей влиять на окружающие события. В некотором роде это еще и почва для научного объяснения экстрасенсорики, ведь теперь утверждение о том, что человек (наблюдатель) способен влиять силой мысли на физические события, не кажется абсурдной.

Каждое собственное состояние наблюдаемого события или объекта соответствует собственному вектору наблюдателя. Если спектр оператора (наблюдателя) дискретный, наблюдаемый объект может достигать только дискретных собственных значений. То есть объект наблюдения, равно как и его характеристики, полностью определяется этим самым оператором.

В отличие от общепринятой классической механики (или физики), здесь нельзя делать одновременные предсказания сопряженных переменных, таких как положение и импульс. Например, электроны могут (с определенной вероятностью) располагаться приблизительно в некой области пространства, но их математически точное положение на самом деле неизвестно.

Контуры постоянной плотности вероятности, часто называемые «облаками», могут быть проведены вокруг ядра атома, чтобы концептуализировать, где электрон может быть расположен с наибольшей вероятностью. Принцип неопределенности Гейзенберга доказывает неспособность точно выявить местонахождение частицы с учетом ее сопряженного импульса. Некоторые модели в этой теории имеют сугубо абстрактный вычислительный характер и не предполагают прикладного значения. Впрочем, часто их используют для вычисления сложных взаимодействий на уровне и прочих тонких материй. Кроме того, этот раздел физики позволил ученым предположить возможность реального существования множества миров. Возможно, в скором времени мы сможем их увидеть.

Волновые функции

Законы квантовой физики весьма объемные и разнообразные. Они пересекаются с представлением о волновых функциях. Некоторые особые создают разброс вероятностей, который по своей сути является постоянным или независимым от времени, к примеру, когда в стационарном положении энергии время как бы исчезает по отношению к волновой функции. Это один из эффектов квантовой физики, который является для нее основополагающим. Любопытный факт заключается в том, что феномен времени был кардинально пересмотрен в этой необычной науке.

Теория возмущений

Однако существует несколько надежных способов разработки решений, необходимых для работы с формулами и теориями в квантовой физике. В одном из таких методов, широко известном как "теория возмущений", используется аналитический результат для элементарной квантово-механической модели. Она была создана, чтобы добиться результатов от экспериментов для разработки еще более сложной модели, которая связана с более простой моделью. Вот такая рекурсия получается.

Этот подход особенно важен в теории квантового хаоса, которая чрезвычайно популярна для трактовки различных событий в микроскопической реальности.

Правила и законы

Правила квантовой механики фундаментальны. Они утверждают, что пространство развертывания системы является абсолютно фундаментальным (оно имеет скалярное произведение). Еще одно утверждение заключается в том, что наблюдаемые этой системой эффекты являются в то же время и своеобразными операторами, влияющими на векторы в этой самой среде. При этом они не говорят нам, какое гильбертово пространство или какие операторы существуют в данный момент. Их можно подобрать соответствующим образом, чтобы получить количественное описание квантовой системы.

Значение и влияние

С самого момента возникновения этой необычной науки многие антиинтуитивные аспекты и результаты изучения квантовой механики спровоцировали громкие философские дебаты и многие интерпретации. Даже фундаментальные вопросы, такие как правила на тему вычисления различных амплитуд и распределения вероятностей, заслуживают уважения со стороны общества и многих ведущих ученых.

Например, однажды с грустью заметил, что он совершенно не уверен в том, что кто-то из ученых вообще понимает квантовую механику. Согласно Стивену Вайнбергу, на данный момент нет той интерпретации квантовой механики, которая бы всех устраивала. Это говорит о том, что ученые создали "монстра", полностью понять и объяснить существование которого они сами не в силах. Однако это никак не вредит актуальности и популярности данной науки, а привлекает к ней молодых специалистов, желающих решать действительно сложные и непонятные задачи.

Кроме того, квантовая механика заставила полностью пересмотреть объективные физические законы Вселенной, что не может не радовать.

Копенгагенская интерпретация

Согласно этой интерпретации, стандартное определение причинности, известное нам из классической физики, больше не нужно. Согласно квантовым теориям, причинности в привычном для нас понимании не существует вообще. Все физические явления в них объясняются с точки зрения взаимодействия мельчайших элементарных частиц на субатомном уровне. Эта область, несмотря на кажущуюся невероятность, чрезвычайно перспективна.

Квантовая психология

Что можно сказать о взаимосвязи квантовой физики и сознания человека? Об этом прекрасно написано в книге, написанной Робертом Антоном Уилсоном в 1990 году, которая называется "Квантовая психология".

Согласно теории, изложенной в книге, все процессы, происходящие в нашем мозге, обусловлены законами, описанными в этой статье. То есть это своеобразная попытка адаптировать теорию квантовой физики под психологию. Эта теория считается паранаучной и не признается академическим сообществом.

Книга Уилсона примечательна тем, что он приводит в ней набор различных техник и практик, в той или иной степени доказывающих его гипотезу. Так или иначе, но читатель должен самостоятельно решить, верит он или нет состоятельность подобных попыток применить математические и физические модели к гуманитарным наукам.

Некоторые восприняли книгу Уилсона как попытку оправдать мистическое мышление и привязать его к научно доказанным новомодным физическим формулировкам. Этот весьма нетривиальный и яркий труд остается востребованным уже более 100 лет. Книгу издают, переводят и читают во всем мире. Кто знает, возможно, с развитием квантовой механики изменится и отношение научного сообщества к квантовой психологии.

Заключение

Благодаря этой замечательной теории, которая вскоре стала отдельной наукой, мы получили возможность исследовать окружающую реальность на уровне субатомных частиц. Это мельчайший уровень из всех возможных, совершенно недоступный нашему восприятию. Что физики раньше знали о нашем мире, нуждается в срочном пересмотре. С этим согласны абсолютно все. Стало очевидно, что разные частицы могут взаимодействовать друг с другом на совершенно немыслимых расстояниях, которые мы можем измерять лишь путем сложных математических формул.

Кроме того, квантовая механика (и квантовая физика) доказала возможность существования множества параллельных реальностей, путешествий во времени и прочих вещей, которые на протяжении всей истории считались лишь уделом научной фантастики. Это, несомненно, огромный вклад не только в науку, но и в будущее человечества.

Для любителей научной картины мира эта наука может быть как другом, так и врагом. Дело в том, что квантовая теория открывает широкие возможности для различных спекуляций на паранаучную тему, как это уже было показано на примере одной из альтернативных психологических теорий. Некоторые современные оккультисты, эзотерики и сторонники альтернативных религиозно-духовных течений (чаще всего - психокультов) обращаются к теоретическим построениям этой науки для того, чтобы обосновать рациональность и истинность своих мистических теорий, верований и практик.

Это беспрецедентный случай, когда простые домысли теоретиков и абстрактные математические формулы привели к самой настоящей научной революции и создали новую науку, перечеркнувшую все, что было известно ранее. В некоторой степени квантовая физика опровергла законы аристотелевской логики, поскольку показала, что при выборе "или-или" есть еще один (а, возможно, несколько) альтернативный вариант.

Тут у меня днями разговор состоялся на тему delayed choice quantum erasure , даже не столько дискуссия, сколько терпеливое объяснение мне моим замечательным френдом dr_tambowsky основ квантовой физики. Поскольку я физику в школе плохо учила, а на старости лет потянуло, то впитываю, как губка. Объяснения решила собрать в одном месте, может кому еще .

Для начала рекомендую посмотреть мультфильм для детей про интерференцию и обратить внимание на «глаз». Потому что фактически в нем вся загвоздка.

Затем можно начинать читать текст от dr_tambowsky , который я привожу ниже целиком или, кто умный и подкованный, может сразу читать это . А лучше и то, и другое.

Что такое интерференция.
Тут действительно много всяких терминов и понятий и они сильно перепутаны. Давай по порядку. Во-первых — интерференция как таковая. Примерам интерференции несть числа и разных интерферометров очень много. Конкретный эксперимент, который постоянно склоняют и часто используют в этой науке про erasure (в основном, потому что он простой и удобный) — это две щели, прорезанные рядышком, параллельно друг другу в непрозрачном экране. Для начала посветим на такую двойную прорезь светом. Свет — это же ж волна, правда? И интерференцию света мы наблюдаем постоянно. Прими на веру, что если посветить на эти две прорези, а с другой стороны поставить экран (или просто стенку), то на этом втором экране мы тоже увидим интерференционную картину — вместо двух ярких пятен света «прошедшего через прорези» на втором экране (стенке) будет забор из чередующихся ярких и тёмных полос. Отметим ещё раз, что это чисто волновое свойство: если мы будем швырять камешки, то те из них, которые попадут в прорези будут и дальше лететь прямо и будут ударять в стенку каждый за своей прорезью, то есть, мы увидим две независимых кучи камней (если они к стенке прилипнут, конечно 🙂), никакой интерференции.

Далее, помнишь, в школе учили про «корпускулярно-волновой дуализм»? Что когда всё очень маленькое и очень квантовое, то объекты — одновременно и частицы и волны? В одном из знаменитых экспериментов (эксперимент Штерна-Герлаха) в 20е годы прошлого века использовали такую же установку как описано выше, но вместо света светили… электронами. Ну, то есть, электроны ведь частицы, правда? То есть если их «кидать» на двойную прорезь, как камушки, то на стенке за прорезями мы увидим что? Ответ — не два отдельных пятна, а опять интерефенционную картину!! То есть электроны тоже могут интерферировать.

С другой стороны, выясняется, что и свет не совсем волна, но немножко и частица — фотон. То есть мы теперь такие умные, что понимаем — два эксперимента, описанных выше — суть одно и тоже. Мы швыряем на прорези (квантовые) частицы, и частицы на этих прорезях интерферируют — на стенке видны чередующиеся полосы («видны» — в смысле чем мы там фотоны или электроны регистрируем, собственно глаза для этого необязательны 🙂).

Теперь, вооружённые этой универсальной картиной, зададим следующий, более тонкий вопрос (внимание, очень важно!!):
Когда мы светим на прорези нашими фотонами/электронами/частицами — мы видим с другой стороны интерференционную картину. Прекрасно. Но что происходит с отдельным фотоном/электроном/пи-мезоном? [и давай с этого момента говорить — исключительно для удобства — только о фотонах]. Возможен ведь такой вариант: каждый фотон летит, как камушек, через свою прорезь, то есть обладает вполне определённой траекторией. Вот этот фотон летит через левую прорезь. А вон тот — через правую. Когда эти фотоны-камушки, проследовав по своим определённым траекториям, достигают стенки позади прорезей, они как то там друг с другом взаимодействуют, и в результате этого взаимодействия, уже на самой стенке, возникает интерференционная картина. Пока что ничто в наших экспериментах такой интерпретации не противоречит — ведь когда мы светим на прорезь ярким светом мы посылаем сразу много фотонов. Пёс их знает, что они там делают.

На этот важный вопрос у нас имеется ответ. Мы умеем бросать по одному фотону. Бросили. Подождали. Бросили следующий. Пристально глядим на стенку и замечаем, куда эти фотоны прилетают. Один-единственный фотон, конечно, не может создать наблюдаемую интерференционную картину в принципе — он один, и когда мы его регистрируем, мы можем его увидеть только в каком-то определённом месте, а не везде сразу. Однако, вернёмся к аналогии с камушками. Вот пролетел один камушек. Стукнулся о стенку позади одной прорези (той, через которую он пролетел, естественно). Вот другой — опять стукнулся позади прорези. Сидим. Считаем. Через какое-то время и бросив достаточно камушков, мы наберём распределение — мы увидим, что много камушков стукнулось о стенку позади одной прорези и много позади другой. И больше нигде. Делаем то же самое с фотонами — бросаем их по одному и считаем потихоньку, сколько же фотонов прилетело в каждое место на стенке. Медленно сходим с ума, потому что получившееся распределение частот ударов фотонов — вовсе не два пятна под соответствующими прорезями. Распределение это в точности повторяет интерференционную картину, которую мы видели, когда светили ярким светом. Но фотоны-то теперь прилетали по одному! Один — сегодня. Следующий — завтра. Они не могли взаимодействовать друг с другом на стенке. То есть, в полном соответствии с квантовой механикой, один, отдельный фотон одновременно является волной и ничто волновое ему не чуждо. У фотона в нашем эксперименте нет определённой траектории — каждый отдельный фотон проходит через обе щели сразу и как бы интерферирует сам с собой. Можем повторить эксперимент, оставив открытой только одну щель — тогда фотоны будут конечно кучковаться за ней. Закроем первую, откроем вторую, по-прежнему бросаем фотоны по одному. Кучкуются, ясное дело под второй, открытой, щелью. Открываем обе — получившееся распределение мест, в которых фотоны любят кучковаться, не является суммой распределений, полученных, когда только одна щель была открыта. Они теперь ещё между щелями кучкуются. А точнее, их излюбленные места кучкования теперь — это чередующиеся полосы. В этой — кучкуются, в следующей — нет, опять — да, тёмная, светлая. Ах, интерференция…

Что такое суперпозиция и спин.
Итак. Будем считать, что про интерференцию как таковую мы всё понимаем. Займёмся суперпозицией. Не знаю, как у тебя с квантовой механикой, извини. Если плохо, то придётся многое принимать на веру, в двух словах объяснить сложно.

Но в принципе, мы уже были где-то рядом — когда видели, что отдельный фотон пролетает как бы сразу через две щели. Можно сказать просто: у фотона нет траектории, волна и волна. А можно сказать, что фотон одновременно летит по двум траекториям (строго говоря, даже не по двум, конечно, а по всем сразу). Это — равносильное утверждение. В принципе, если следовать по этому пути до конца, то мы придём к «интегралу по траекториям» — Фейнмановской формулировке квантовой механики. Формулировка эта невероятно изящна и настолько же сложна, на практике ею пользоваться трудно, тем более использовать её для объяснения основ. Поэтому до конца не пойдём, а лучше помедитируем над фотоном, летящим «по двум траекториям сразу». В смысле классических понятий (а траектория — вполне себе хорошо определённое классическое понятие, либо камень летит в лоб, либо мимо), фотон находится в разных состояниях одновременно. Ещё раз, траектория — это даже не совсем то, что нам нужно, наши цели проще, я просто призываю осознать и прочувствиовать факт.

Квантовая механика говорит нам, что такая ситуация — правило, а не исключение. Любая квантовая частица может находиться (и как правило находится) в «нескольких состояниях» сразу. На самом деле, не нужно слишком серьёзно воспринимать это утверждение. Эти «несколько состояний» — это на самом деле наша классическая интуиция. Мы определяем разные «состояния» исходя из каких-то своих (внешних и классических) соображений. А квантовая частица живёт по своим законам. У неё есть состояние. Точка. Всё что утверждение о «суперпозиции» означает — это то, что это состояние может сильно отличаться от наших классических представлений. Мы вводим классическое понятие траектории и применяем его к фотону в том состоянии, в котором ему нравится быть. А фотон говорит — «извините, моё любимое состояние таково, что в отношении этих ваших траекторий я нахожусь на обеих сразу!». Это не значит, что фотон совсем не может быть в состоянии, в котором траектория (более или менее) определена. Закроем одну из прорезей — и можно, до какой то степени, говорить о том, что фотон летит через вторую по определённой траектории, которую мы хорошо понимаем. То есть, такое состояние в принципе существует. Откроем обе — фотон предпочитает быть в суперпозиции.

То же самое относится к другим параметрам. Например, собственному угловому моменту, или спину. Помнишь, про два электрона, которые могут сидеть вместе на одной s-орбитали — если у них при этом противоположные спины? Вот это как раз оно. И у фотона тоже есть спин. Спин фотона хорош тем, что в классике он на самом деле соответствует поляризации световой волны. То есть используя всякие поляризаторы и прочие кристаллы, которые у нас есть, можно манипулировать спином (поляризацией) отдельных фотонов буде они у нас появятся (а они появятся).

Так вот, спин. Спин-то у электона есть (в надежде, что орбитали и электроны тебе роднее, чем фотоны, так-то всё то же самое), но электрону абсолютно безразлично в каком «спиновом состоянии» находиться. Спин — это вектор и мы можем пытаться говорить «спин смотрит вверх». Или «спин смотрит вниз» (относительно какого-нибудь нами же выбранного направления). А электрон нам говорит: «плевал я на вас, я могу находиться на обеих траекториях в обоих спиновых состояниях сразу». Здесь опять-таки очень важно, что не много электронов находятся в разных спиновых состояниях, в ансамбле, один смотрит вверх, другой вниз, а каждый отдельный электрон находится в обоих состояниях сразу. Точно так же как не разные электроны проходят через разные прорези, а один электрон (или фотон) проходит через обе прорези сразу. Электрон может находиться в состоянии с определённым направлением спина, если его очень попросить, но сам он этого делать не станет. Полу-качественно ситуацию можно описать так: 1) есть два состояния, |+1> (спин вверх) и |-1> (спин вниз); 2) в принципе, это — кошерные состояния, в которых электрон может существовать; 3) однако если не прилагать специальных усилий, электрон «размажется» по обоим состояниям и его состояние будет что-то вроде |+1> + |-1>, состояние, в котором электрон не обладает определённым направлением спина (совсем как траектория 1+траектория 2, правда?). Это и есть «суперпозиция состояний».

Про коллапс волновой функции.
Нам осталось совсем немного — понять что такое измерение и «коллапс волновой функции». Волновая функция — это то что мы выше написали, |+1> + |-1>. Просто описание состояния. Можно для простоты говорить о самом состоянии, как таковом, и о его «коллапсе», неважно. Происходит вот что: летит себе электрон в таком вот неопределённом состоянии духа, то ли он вверх, то ли вниз, то ли и то и другое сразу. Тут подбегаем мы с каким-нибудь устрашающего вида прибором и давай измерять направление спина. В данном конкретном случае достаточно сунуть электрон в магнитное поле: те электроны, у которых спин смотрит вдоль направления поля должны отклоняться в одну сторону, те у которых против поля — в другую. Мы сидим с другой стороны и потираем ручонки — видим в какую сторону электрон отклонился и сразу знаем, вверх у него смотрит спин или вниз. Фотоны можно совать в поляризационный фильтр — если поляризация (спин) +1 — фотон проходит, если -1, то нет.

Но позвольте — ведь у электрона не было определённого направления спина до измерения? Вот в этом вся фишка. Определённого — не было, но он был как бы «смешан» из двух состояний сразу, и в каждом из этих состояний направление очень даже было. В процессе измерения мы заставляем электрон принять решение, кем ему быть и куда смотреть — вверх или вниз. В вышеописанной ситуации мы, конечно, в принципе не можем предсказать заранее какое решение примет данный конкретный электрон, когда он влетит в магнитное поле. С вероятностью 50% он может решить «вверх», с такой же вероятностью — «вниз». Но уж как только он это решит — он находится в состоянии с определённым направлением спина. В результате нашего «измерения»! Это и есть «коллапс» — до измерения волновая функция (пардон, состояние) была |+1> + |-1>. После того как мы «измерили» и увидели, что электрон отклонился в определённую сторону — его направление спина определено и его волновая функция стала просто |+1> (или |-1>, если отклонился в другую). То есть состояние «сколлапсировало» на одну из своих составляющих; «подмешивания» второй составляющей больше нет и в помине!

В значительной степени этому было посвящено пустое философствование в исходной записи, и этим мне не нравится конец мультика. Там просто нарисован глаз и у неискушённого зрителя может возникнуть во-первых иллюзия некоей антропоцентричности процесса (мол, нужен наблюдатель, чтобы провести «измерение»), во-вторых его неинвазивности (ну, мы же просто смотрим!). Мои представления на эту тему были изложены выше. Во-первых, «наблюдатель» как таковой не нужен, конечно. Достаточно привести квантовую систему в контакт с большой, классической системой и всё произойдёт само собой (электроны будут влетать в магнитное поле и решать кем им быть независимо от того сидим мы с другой стороны и наблюдаем или нет). Во-вторых, неинвазивное классическое измерение квантовой частицы невозможно в принципе. Нарисовать глаз легко, а что значит «посмотреть на фотон и узнать куда он полетел»? Чтобы посмотреть нужно чтобы в глаз попали фотоны, желательно — много. Как можно так устроить, чтобы много фотонов прилетели и рассказали нам всё о состоянии одного несчастного фотона, состоянием которого мы интересуемся? Посветить на него фонариком? И что от него после этого останется? Ясно, что мы очень сильно повлияем на его состояние, возможно до такой степени, что ему и в одну из прорезей уже лезть не захочется. Это всё не так интересно. Но до интересного мы уже, наконец, добрались.

Про парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и когерентные (entangled) пары фотонов
Мы теперь знаем про суперпозицию состояний, но до сих пор мы говорили только об одной частице. Исключительно для простоты. Но всё же, что если частицы у нас две? Можно приготовить пару частиц во вполне себе квантовом состоянии, так что их общее состояние описывается одной, общей волновой функцией. Это, конечно, не просто — два произвольных фотона в соседних комнатах или электрона в соседних пробирках друг про друга и знать не знают, поэтому их можно и нужно описывать совершенно независимо. Поэтому как раз можно считать энергию связи, скажем, одного электрона на одном протоне в атоме водорода, совершенно не интересуясь другими электронами на марсе или даже на соседних атомах. Но если специально постараться, то квантовое состояние охватываюшее две частицы сразу можно создать. Это будет называться «когерентное состояние», применительно к парам частиц и всяким квантовым erasures и компютерам это ещё называют entangled state.

Двигаемся дальше. Мы можем знать (в силу ограничений, накладываемых процессом приготовления этого когерентного состояния), что, скажем, полный спин нашей системы из двух частиц равен нулю. Ничего страшного, мы же знаем, что спины двух электронов на s-орбитали обязаны быть антипараллельны, то есть полный спин — ноль, и это нас совершенно не пугает, правда? Чего мы не знаем — это куда смотрит спин конкретной частицы. Мы только знаем, что куда бы он не смотрел, спин второй должен смотреть в другую сторону. То есть, если мы обозначим наши две частицы (А) и (Б), то состояние может быть, в принципе, такое: |+1(А), -1(Б)> (А смотрит вверх, Б вниз). Это — разрешённое состояние, налагаемых ограничений оно не нарушает. Другая возможность — |-1(А), +1(Б)> (наоборот, А вниз, Б вверх). Тоже возможное состояние. Ещё не напоминает состояния, которые мы чуть раньше записывали для спина одного единственного электрона? Потому что наша система из двух частиц, пока она квантовая и когерентная, точно также может (и будет) находиться в суперпозиции состояний |+1(А); -1(Б)> + |-1(А); +1(Б)>. То есть, обе возможности реализованы одновременно. Как обе траектории фотона или оба направления спина одного электрона.

Измерять такую систему гораздо увлекательнее, чем отдельный фотон. Действительно, предположим, что мы измеряем спин только одной частицы, А. Мы уже поняли, что измерение — для квантовой частицы тяжёлый стресс, её состояние в процессе измерения сильно поменяется, произойдёт коллапс… Всё так, но — в данном-то случае есть ещё вторая частица, Б, которая намертво с А связана, у них волновая функция общая! Предположим, что мы измерили направление спина А и увидели, что оно +1. Но у А нет своей собственной волновой функции (или другими словами, своего собственного, независимого состояния), чтобы она сколлапсировала к |+1>. Всё что у А есть — это состояние «переплетённое» (entangled) с Б, выписанное выше. Если измерение А даёт +1 и мы знаем, что спины А и Б антипараллельны, мы знаем что спин Б смотрит вниз (-1). Волновая функция пары коллапсирует к чему может, а может она только к |+1(А); -1(Б)>. Других возможностей выписанная волновая функция нам не предоставляет.

Пока ничего? Подумаешь, полный спин сохраняется? Теперь представим себе, что мы создали такую пару А, Б и дали этим двум частицам разлетаться в разные стороны, оставаясь когерентными. Одна (А) долетела до Меркурия. А другая (Б), скажем, до Юпитера. В этот самый момент мы случились на Меркурии и измерили направление спина А. Что произошло? В этот же самый момент мы узнали направление спина Б и изменили волновую функцию Б! Обрати внимание, что это совсем не то же что в классике. Пускай два разлетающихся камня вращаются вокруг своей оси и пускай мы точно знаем, что они вращаются в противоположные стороны. Если мы измерим направление вращения одного, когда он достигнет Меркурия, мы тоже узнаем направление вращения второго, где бы он к тому моменту не оказался, хоть на Юпитере. Но эти камни всегда вращались в определённую сторону, до всяких наших измерений. И если кто-то измерит камень летящий к Юпитеру, то он(а) получит тот же самый и вполне определённый ответ, независимо от того, измерили мы что-то на Меркурии или нет. С нашими фотонами ситуация совершенно иная. Ни один из них не имел вообще никакого определённого направления спина до измерения. Если бы кто-то без нашего участия решил измерить направление спина Б где-нибудь в районе Марса, то он получил бы что? Правильно, с вероятностью 50% он увидел бы +1, с вероятностью 50% -1. Такое у Б состояние, суперпозиция. Если же этот кто-то решит измерить спин Б немедленно после того как мы уже измерили спин А, увидели +1 и вызвали коллапс *всей* волновой функции,
то он получит в результате измерения только -1, с вероятностью 100%! Только в момент нашего измерения А, наконец, решил кем ему быть и «выбрал» направление спина — и этот выбор мгновенно повлиял на *всю* волновую функцию и на состояние Б, который в этот момент уже находится чёрт знает где.

Вот эта-то неприятность и называется «нелокальность квантовой механики». Также известна как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR paradox) и, в общем, то что происходит в erasure с этим связано. Может быть я чего то недопонимаю, конечно, но на мой вкус erasure инетерсен тем, что это как раз эскпериментальная демострация нелокальности.

Упрощенно, эсксперимент с erasure может выглядеть так: создаём когерентные (entangled) пары фотонов. По одной: пара, потом следующая, и т.д. В каждой паре один фотон (А) летит в одну сторону, другой (Б) в другую. Всё как мы уже обсуждали чуть выше. На пути фотона Б ставим двойную прорезь и смотрим, что там за этой прорезью на стенке вырисовывается. Вырисовывается интерференционная картина, потому что каждый фотон Б, как мы знаем, летит по обеим траекториям, через обе прорези сразу (мы ещё помним про интерференцию, с которой мы начали эту историю, правда?). То, что Б ещё когерентно связан с А и имеет общую с А волновую функцию ему довольно фиолетово. Усложняем эксперимент: одну прорезь прикрываем фильтром, который пропускает только фотоны со спином +1. Вторую прикрываем фильтром, который пропускает только фотоны со спином (поляризацией) -1. Продолжаем наслаждаться интерференционной картиной, потому что в общем состоянии пары А,Б (|+1(А); -1(Б)> + |-1(А);+1(Б)>, как мы помним), присутствуют состояния Б и с тем и с другим спином. То есть «часть» Б может пройти через один фильтр/прорезь, часть — через другой. Так же как раньше одна «часть» летела по одной траектории, другая по другой (это, конечно, фигура речи, но факт остаётся фактом).

Наконец, кульминация: где-нибудь на меркурии, или чуть поближе, на другом конце оптического стола, мы ставим поляризационный фильтр на пути фотонов А, а за фильтром детектор. Пускай, для определённости, этот новый фильтр пропускает только фотоны со спином +1. Каждый раз когда срабатывает детектор, мы знаем что пролетел фотон А со спином +1 (спин -1 не пройдёт). Но это означает, что волновая функция всей пары сколлапсировала и у «брата» нашего фотона, у фотона Б, в этот момент осталось только одно возможное состояние -1. Всё. Фотону Б «нечем» теперь пролезать через, прорезь покрытую фильтром, пропускающим только поляризацию +1. У него просто не осталось такой составляюшей. «Узнать» этот фотон Б очень просто. Мы ведь создаём пары по одной. Когда мы регистрируем фотон А, прошедший через фильтр, мы записываем время, в которое он пришёл. Пол-второго, например. Значит, его «брат» Б прилетит на стенку тоже в пол-второго. Ну или в 1:36, если ему лететь чуть дальше и, следовательно, дольше. Там мы тоже записываем времена, то есть можем сопоставить кто есть кто и кто кому родственник.

Так вот, если мы теперь посмотрим какая картинка вырисовывается на стенке, мы не обнаружим никакой интерференции. Фотон Б из каждой пары проходит либо через одну прорезь, либо через другую. На стенке — два пятна. Теперь, убираем фильтр с пути фотонов А. Интерференционная картина восстанавливается.

…и наконец про delayed choice
Совсем паскудной ситуация становится, когда фотону А лететь до своего фильтра/детектора дольше, чем фотону Б до прорезей. Мы производим измерение (и заставляем А решить, а волновую функцию сколлапсировать) после того как Б должен был бы уже долететь до стенки и создать интерференционную картину. Однако, пока мы измеряем А, даже «позже, чем следует», интерференционная картина для фотонов Б всё равно пропадает. Убираем фильтр для А — восстанавливается. Это уже — delayed erasure. Не могу сказать, что я хорошо понимаю с чем это едят.

Поправки и уточнения.
Всё было правильно, с поправкой на неизбежные упрощения, до тех пор, пока мы не построили прибор с двумя entangled фотонами. Сначала интерференция у фотона Б есть. С фильтрами, похоже, не получится. Закрывать нужно пластинками, которые меняют поляризацию с линейной на круговую. Это уже сложнее обяснить 😦 Но главное не это. Главное, что когда мы так закрываем прорези разными фильтрами, то интерференция пропадает. Не в тот момент, когда мы измеряем фотон А, а сразу. Хитрая фишка состоит в том, что поставив фильтры пластинки мы «пометили» фотоны Б. Другими словами, фотоны Б несут на себе дополнительную информацию, позволяющую узнать по какой именно траектории они пролетели. *Если* мы измерим фотон А, то мы сможем узнать по какой именно траектории пролетел Б, значит и интерференции у Б не будет. Тонкость состоит в том, что физически «измерять» А не обязательно! Тут я в прошлый раз грубо ошибся. Не нужно измерять А, чтобы интерференция пропала. Если *можно* измерить и узнать по какой из траекторий пролетел фотон Б, то уже в этом случае интерференции не будет.

На самом деле, это ещё можно пережить. Там, по ссылке ниже народ как-то несколько беспомощно руками разводит, но по-моему (может быть я опять неправ? 😉) объяснение такое: сунув в прорези фильтры мы уже сильно изменили систему. Неважно, зарегистрировали мы реально поляризацию или траекторию по которой фотон прошёл или махнули в последний момент рукой. Важно что мы всё «приготовили» для измерения, уже повлияли на состояния. Поэтому, собственно «измерять» (в смысле сознательного человекоподобного наблюдателя, принесшего градусник и записавшего результат в журнал) ничего не нужно. Всё в некотором смысле (в смысле воздействия на систему) уже «измерено». Утверждение обычно формулируется так: «*если* мы измерим поляризацию фотона А, то мы будем знать поляризацию фотона Б, а следовательно и его траекторию, ну а раз фотон Б летит по определённой траектории, то интерференции не будет; мы можем даже не проводить измерение фотона А — достаточно того, что это измерение возможно, фотон Б знает о том, что его можно измерить и отказывается интерферировать». Есть в этом некоторая мистификация. Ну да, отказывается. Просто потому что систему так приготовили. Если в системе есть дополнительная информация (есть способ) определить по какой из двух траекторий пролетел фотон, то и интерференции не будет.

Если я тебе скажу, что я всё устроил так, чтобы фотон летел только через одну прорезь, ты ведь сразу поймешь что интерференции не будет? Можешь бежать проверять («измерять») и убеждаться, что я правду говорю, а можешь и так поверить. Если я не соврал, то интерференции не будет безотносительно того бросишься ты меня проверять или нет 🙂 Соответственно, фраза «можно измерить» на деле означает «система приготовлена таким специальным образом что…». Приготовлена и приготовлена, то есть в этом месте ещё коллапса никакого нет. Есть «помеченные» фотоны и отсутствие интерференции.

Вот дальше — почему, собственно, erasure это всё называется — нам говорят: а давайте-ка подействуем на систему так, чтобы «стереть» эти метки с фотонов Б — тогда они снова начнут интерферировать. Интересный момент, к которому мы уже подходили, хотя и в ошибочной модели, состоит в том, что фотоны Б можно не трогать, и пластинки в прорезях оставить. Можно подёргать за фотон А и так же как при коллапсе, изменение его состояния вызовет (нелокально) изменение полной волновой функции системы так, что информации, достаточной для определения через какую щель прошёл фотон Б, у нас больше не будет. То есть, вставляем на пути фотона А поляризатор — интерференция фотонов Б восстанавливается. С delayed всё то же самое — делаем так, что фотону А лететь до поляризатора дольше, чем Б до прорезей. И всё равно если на пути у А есть поляризатор, то Б интерферирует (хотя как бы «до того» как А долетел до поляризатора)!

Feed. You can , or from your own site.

Предупреждаю сразу: этот цикл статей заметно отличается от традиционного введения в квантовую механику.

Во-первых , я не буду цитировать Ричарда Фейнмана, однажды заявившего, что «это нормально - не понимать квантовую механику, потому что никто её не понимает». Когда-то это было так, но времена меняются.

Я не скажу: «Квантовую механику невозможно понять, к ней просто нужно привыкнуть». (Эту цитату приписывают Джону фон Нейману; он жил в те дремучие времена, когда никто и в самом деле не понимал квантовую механику.)

Нельзя заканчивать объяснение словами «Если что-то непонятно, так и должно быть». Нет, так не должно быть . Может, проблема в вас. Может - в вашем учителе. В любом случае, её надо решать , а не сидеть сложа руки и успокаивать себя тем, что все остальные тоже ничего не понимают.

Я не буду говорить, что квантовая механика - это нечто странное , запутанное или недоступное для человеческого понимания . Да, она контринтуитивна - но это беда исключительно нашей интуиции. Квантовая механика возникла задолго до Солнца, планеты Земля или человеческой цивилизации. Она не собирается меняться ради вас. Вообще, не существует обескураживающих фактов , есть только теории, обескураженные фактами ; а если теория не совпадает с практикой, это не делает ей чести.

Всегда стоит рассматривать реальность как совершенно обыденную вещь. С начала времён во Вселенной не случилось ничего необычного.

Наша цель - научиться чувствовать себя как дома в этом квантовом мире. Потому что мы и так дома.

На протяжении всего этого цикла я буду говорить о квантовой механике как о самой обычной теории; а там, где интуитивное представление о мире не совпадает с ней, я буду высмеивать интуицию за несоответствие реальности.

Во-вторых , я не собираюсь следовать традиционному порядку изучения квантовой механики, копирующему порядок, в котором её открывали.

Обычно всё начинается с рассказа о том, что материя иногда ведёт себя как кучка маленьких бильярдных шаров, сталкивающихся между собой, а иногда - как волны на поверхности бассейна. Это сопровождается несколькими примерами, иллюстирующими оба взгляда на материю.

Раньше, когда всё это только зарождалось и никто не имел ни малейшего понятия о математических основах физики, учёные всерьёз считали, что всё состоит из атомов, ведущих себя примерно как бильярдные шары. А потом они стали считать, что всё состоит из волн. А потом они опять вернулись к бильярдным шарам. Всё это привело к тому, что учёные окончательно запутались, и только через несколько десятилетий - к концу девятнадцатого века - им удалось расставить всё по своим местам.

Если применить этот исторический достоверный подход к обучению современных студентов (как сейчас и поступают), с ними закономерно случится то же, что случилось с ранними учёными, а именно - они впадут в полное и абсолютное замешательство . Рассказывать студентам, изучающим физику, о корпускулярно-волновом дуализме, это то же самое, что начинать курс химии лекцией о четырёх стихиях.

Электрон не похож ни на бильярдный шар, ни на гребень океанской волны. Электрон - это совершенно другой объект с математической точки зрения, и он остаётся таким при любых обстоятельствах . А если вы будете упорствовать в своём стремлении считать его и тем, и тем, как вам удобнее , предупреждаю: за двумя зайцами погонишься - ни одного не поймаешь.

Это не единственная причина, по которой исторический порядок - не лучший выбор. Давайте проследим за гипотетическим процессом с самого начала : люди замечают, что они окружены другими животными - внутри животных, оказывается, есть органы - а органы, если присмотреться внимательнее, состоят из тканей - под микроскопом видно, что ткани состоят из клеток - клетки состоят из протеинов и прочих химических соединений - химические соединения состоят из атомов - атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов - а последние гораздо проще и понятнее животных, с которых всё началось, но были открыты на десятки тысяч лет позже .

Физику не начинают проходить с биологии. Тогда почему её нужно начинать с обсуждения лабораторных экспериментов и их результатов, которые даже в случае простейших опытов являются следствием множества сложных и запутанных процессов?

С одной стороны, я могу понять, почему во главу угла ставится эксперимент. Мы же о физике говорим, в конце концов.

С другой стороны, давать студентам в руки сложный математический аппарат только для того, чтобы они могли проанализировать простой опыт - это уже чересчур . Программистов, например, сначала учат складывать две переменные, а только потом - писать многопоточные приложения; и плевать на то, что вторые «ближе к реальной жизни».

Классическая механика не следует явным образом из квантовой механики. Более того, классическая механика находится на гораздо более высоком уровне. Сравните атомы и молекулы с кварками: миллионы известных науке химических веществ, сотня химических элементов, и всего шесть кварков. Сначала лучше понять простое, а только потом переходить к сложному.

Наконец , я буду рассматривать квантовую механику со строго реалистической позиции - наш мир является квантовым, наши уравнения описывают территорию, а не её карту, и привычный нам мир неявным образом существует в квантовом мире. Если среди моих читателей есть антиреалисты - пожалуйста , придержите свои комментарии. Квантовую механику гораздо труднее понять и представить, если сомневаешься в её справедливости. Я поговорю об этом подробнее в одной из следующих статей.

Я думаю, что той точки зрения, которую я буду излагать в этом введении, придерживается большинство физиков-теоретиков. Но вы всё же должны знать, что это не единственная возможная точка зрения, и немалая доля учёных сомневается в верности реалистической позиции. Хоть я и не собираюсь уделять внимание каким-либо другим теориям прямо сейчас , я чувствую себя обязанным упомянуть о том, что они есть .

Подводя итог , моя цель - научить вас думать как коренной житель квантового мира , а не как турист поневоле .

Покрепче вцепитесь в реальность. Мы начинаем.

Конфигурации и амплитуды

Посмотрите на рис. 1. В точке A находится полупосеребрённое зеркало, а в точках B и C - два детектора фотонов.

Этот простой эксперимент в своё время заставил учёных поломать головы. Дело в том, что в половине случаев фотон, выпущенный в сторону зеркала, регистрировался первым детектором, а в половине - на вторым. И учёные - внимание, приготовьтесь смеяться - предполагали, что зеркало то пропускало фотон, то отражало его.

Ха-ха-ха, представьте себе зеркало, которое может само выбирать, пропускать ему фотон или не пропускать! Если вы и можете это представить, то все равно не делайте этого - а не то вы запутаетесь так же, как и те учёные. Зеркало ведёт себя абсолютно одинаково в обоих случаях.

Если бы мы попробовали написать компьютерную программу, симулирующую этот эксперимент (а не просто предсказывающую результат), она бы выглядела примерно так…

В начале программы мы объявляем переменную, хранящую в себе определённый математический объект - конфигурацию . Она представляет некое описание состояния мира - в данном случае, «один фотон летит в точку А».

На самом деле конфигурация описывается комплексным числом (напомню, что комплексные числа имеют вид (a + bi ), где a и b - действительные числа, а i - мнимая единица, т.е. такое число, что i ² = -1). Нашей конфигурации «фотон летит в точку A » тоже соответствует какое-то число. Пусть это будет (-1 + 0i ). В дальнейшем мы будем называть число, соответствующее конфигурации, её амплитудой .

Введём ещё две конфигурации: «фотон летит из A в точку B » и «фотон летит из A в точку C ». Мы пока не знаем амплитуды этих конфигураций; им будут присвоены значения в ходе выполнения программы.

Посчитать амплитуды можно, применив правило, по которому работает зеркало, к начальной конфигурации. Не вдаваясь в подробности, можно считать, что правило выглядит так: «умножить на 1, когда фотон пролетает; умножить на i , когда фотон отражается». Применим правило: амплитуда конфигурации «фотон летит в B » равняется (-1 + 0i ) × i = (0 + -i ), а амплитуда конфигурации «фотон летит в C » равняется (-1 + 0i ) × 1 = (-1 + 0i ). Других конфигураций на рис. 1 нету, так что мы закончили.

В принципе, можно считать «первый детектор регистрирует фотон» и «второй детектор регистрирует фотон» отдельными конфигурациями, но это ничего не меняет; их амплитуды будут равны амплитудам двух предыдущих конфигураций соответственно. (На самом деле их ещё надо домножить на множитель, равный расстоянию от A до детекторов, но мы просто предположим, что все расстояния в нашем эксперименте являются множителями единицы.)

Итак, вот конечное состояние программы:

• «фотон летит в A »: (-1 + 0i )
• «фотон летит из A в B »: (0 + -i )
• «фотон летит из A в C »: (-1 + 0i )

И, возможно:

• «сработал первый детектор»: (0 + -i )
• «сработал второй детектор»: (-1 + 0i )

Разумеется, сколько бы раз мы ни запускали программу, конечное состояние останется таким же.
Теперь, по довольно сложным причинам, в которые я пока не буду вдаваться, не существует простого способа измерить амплитуду конфигурации. Состояние программы скрыто от нас.

Что же делать?

Хоть мы и не можем измерить амплитуду непосредственно, кое-что у нас есть - а именно, волшебная измерительная штуковина, которая может сообщить нам квадрат модуля амплитуды конфигурации. Другими словами, для амплитуды (a + bi ) штуковина ответит числом (a² + b²).

Точнее было бы сказать, что волшебная штуковина находит всего лишь отношение квадратов модулей друг к другу. Но даже этой информации оказывается достаточно, чтобы понять, что происходит внутри программы и по каким законам она работает.

С помощью штуковины мы можем легко узнать, что квадраты модулей конфигураций «сработал первый детектор» и «сработал второй детектор» равны. А проведя некоторые более сложные эксперименты, мы сможем также узнать отношение самих амплитуд - i к 1.

Кстати, а что это за волшебная измерительная штуковина такая?

Ну, когда такие эксперименты проводят в реальной жизни, в качестве волшебной штуковины служит то, что эксперимент проводят пару тысяч раз и просто считают, сколько раз фотон оказался в первом детекторе, а сколько - во втором. Отношение этих значений и будет отношением квадратов модулей амплитуд. Почему это будет так - вопрос другой, гораздо более сложный. А пока можно пользоваться штуковиной и без понимания того, как да почему она работает. Всему своё время.

Вы можете спросить: «А зачем вообще нужна квантовая теория, если её предсказания совпадают с предсказаниями „бильярдной” теории?» Есть две причины. Во-первых, реальность , что бы вы там ни думали, всё-таки подчиняется квантовым законам - амплитуды, комплексные числа и всё такое. А во-вторых, «бильярдная» теория не работает для любого мало-мальски сложного эксперимента. Хотите пример? Пожалуйста.

На рис. 2 вы можете видеть два зеркала в точках B и C , и два полу-зеркала в точках A и D . Позже я объясню, почему отрезок DE проведён пунктиром; на расчётах это никак не скажется.

Давайте применим правила, которые мы уже знаем.

В начале у нас есть конфигурация «фотон летит в A », её амплитуда - (-1 + 0i ).

Считаем амплитуды конфигураций «фотон летит из A в B » и «фотон летит из A в C »:

• «фотон летит из A в B » = i × «фотон летит в A » = (0 + -i )
• «фотон летит из A в C » = 1 × «фотон летит в A » = (-1 + 0i )

Интуитивно ясно, что обычное зеркало ведёт себя как половина полу-зеркала: всегда отражает фотон, всегда умножает амплитуду на i . Итак:

• «фотон летит из B в D » = i × «фотон летит из A в B » = (1 + 0i )
• «фотон летит из C в D » = i × «фотон летит из A в C » = (0 + -i )

Важно понять, что «из B в D » и «из C в D » - это две разные конфигурации. Нельзя просто написать «фотон летит в D », потому что от угла, под которым этот фотон приходит в D , зависит то, что с ним случится дальше.

• B в D », равная (1 + 0i ):
  • умножается на i , и результат (0 + i D в E »
  • умножается на 1, и результат (1 + 0i ) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F »
• амплитуда конфигурации «фотон летит из C в D », равная (0 + -i ):
  • умножается на i , и результат (1 + 0i ) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F »
  • умножается на 1, и результат (0 + -i ) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E »

• «фотон летит из D в E » = (0 + i ) + (0 + -i ) = (0 + 0i ) = 0
• «фотон летит из D в F » = (1 + 0i ) + (1 + 0i ) = (2 + 0i )

Отношение квадратов модулей амплитуд - 0 к 4; из расчётов следует, что первый детектор вообще не будет срабатывать! Поэтому-то отрезок DE и был проведён пунктиром на рис. 2.

Если бы полу-зеркала отражали или пропускали фотон случайным образом, оба детектора реагировали бы примерно с одинаковой частотой. Но это не совпадает с результатами экспериментов. Вот и всё.
Вы могли бы возразить: «А вот и не всё! Предположим, например, что когда зеркало отражает фотон, с ним происходит что-то такое, что второй раз он уже не отразится? И, наоборот, когда зеркало пропускает фотон, в следующий раз ему придётся отразиться.»

Во-первых, бритва Оккама. Не стоит выдумывать сложное объяснение, если уже существует простое (если, конечно, считать квантовую механику простой …) А во-вторых, я могу придумать другой опыт, который опровергнет и эту альтернативную теорию.

Поместим маленький непрозрачный объект между B и D , чтобы амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D » всегда равнялась нулю.

Теперь амплитуда конфигурации «фотон летит из D в F » равна (1 + 0i ), а амплитуда конфигурации «фотон летит из D в E » - (0 + -i ). Квадраты модулей равны 1. Это значит, что в половине случаев будет срабатывать первый детектор, а в половине - второй.

Это невозможно объяснить, если считать, что фотон - это маленький бильярдный шарик, который отражается от зеркал.

Дело в том, что об амплитуде нельзя думать, как о вероятности. В теории вероятностей, если событие X может произойти или не произойти, то вероятность события Z равна P(Z |X )P(X ) + P(Z |¬X )P(¬X ), где все вероятности положительны. Если вы знаете, что вероятность Z при условии, что X случилось, равна 0.5, а вероятность X - 0.3, то полная вероятность Z по меньшей мере 0.15, независимо от того, что произойдёт, если X не случится. Не бывает отрицательных вероятностей. Возможные и невозможные события не могут аннулировать друг друга. А амплитуды - могут.

Вот пример неправильного мышления: «Фотон летит в B или в C , но он мог полететь по-другому, и это влияет на вероятность того, что он полетит в E …»

События, которые не случились, не имеют никакого влияния на мир. Единственное, что может повлиять на мир - это наше воображение. «О боже, эта машина чуть не сбила меня», думаете вы, и решаете уйти в монастырь, чтобы больше никогда не встречаться с опасными машинами. Но реально по-прежнему не само событие, а лишь ваше воображение, содержащееся в вашем мозгу - который можно из вас достать, пощупать и положить назад, чтобы убедиться, что он вполне реален.

Реально всё, что влияет на мир. (Если вы полагаете, что это не так, попробуйте дать определение слову «реальный».) Конфигурации и амплитуды непосредственно влияют на мир, так что они тоже реальны. Сказать, что конфигурация - это «то, что могло случиться», так же странно, как сказать, что стул - это «то, что могло случиться».

А что это тогда - конфигурация?

Продолжение следует.

На самом деле всё немного сложнее, чем вам могло показаться после прочтения этой статьи.
Каждая конфигурация описывает все частицы во Вселенной. Амплитуда - это непрерывное распределение по всему пространству конфигураций, а не дискретное, как мы рассматривали сегодня. И в самом деле, фотоны же не телепортируются из одного места в другое мгновенно , а каждое различное состояние мира описывается новой конфигурацией. В конце концов мы и до этого доберёмся.

Если вы ничего не поняли из этого абзаца, не беспокойтесь, я всё объясню. Потом.

Услышав слова «квантовая физика» люди обычно отмахиваются: «Это что-то страшно сложное». Между тем, это совершенно не так, и в слове «квантовый» нет ровным счётом ничего страшного. Непонятного – хватает, интересного – очень много, а страшного – нет.

Про книжные полки, лесенки и Ивана Ивановича

Все процессы, явления и величины в окружающем нас мире можно разделить на две группы: непрерывные (по-научному континуальные ) и прерывные (по-научному дискретные или квантованные ).

Представьте себе стол, на который можно положить книгу. Вы можете положить книгу в любое место на столе. Справа, слева, посередине... Куда хотите – туда и положите. В этом случае физики говорят, что положение книги на столе изменяется непрерывно .

А теперь представьте книжные полки. Вы можете поставить книгу на первую полку, на вторую, на третью или на четвёртую – однако не можете поставить книгу «где-то между третьей и четвёртой». В этом случае положение книги изменяется прерывно , дискретно , квантованно (все эти слова обозначают одно и то же).

Окружающий мир полон непрерывных и квантованных величин. Вот две девочки – Катя и Маша. Их рост 135 и 136 сантиметров. Какая это величина? Рост изменяется непрерывно, он может быть и 135 с половиной сантиметров, и 135 сантиметров с четвертью. А вот номер школы, в которой девочки учатся – это величина квантованная! Допустим, Катя учится в школе № 135, а Маша – в школе № 136. Однако никто из них не может учиться в школе № 135 с половиной, правда?

Другой пример квантованной системы – шахматная доска. На шахматной доске 64 клетки, и каждая фигура может занимать только одну клетку. Можем ли мы поставить пешку где-то между клетками или поставить на одну клетку сразу две пешки? Фактически – можем, но по правилам – нет.

Континуальный спуск

А вот горка на детской площадке. Дети скатываются с неё вниз – потому что высота горки изменяется плавно, непрерывно. Теперь представьте себе, что эта горка вдруг (взмах волшебной палочки!) превратилась в лестницу. Скатиться с неё на попе уже не выйдет. Придётся идти ногами – сперва один шаг, потом второй, потом третий. Величина (высота) у нас изменялась непрерывно – а стала изменяться шагами, то есть дискретно, квантованно .

Квантованный спуск

Давайте проверим!

1. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «отдохну где-нибудь по дороге».

2. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «поеду каким-нибудь автобусом».

Какая из этих двух ситуаций («систем») может считаться непрерывной, а какая – квантованной?

Ответ:

В первом случае Иван Иванович идёт пешком и может остановиться отдохнуть в абсолютно любой точке. Значит, данная система – непрерывная.

Во втором – Иван Иванович может сесть в подошедший на остановку автобус. Может пропустить и подождать следующего автобуса. Но вот сесть «где-то между» автобусами у него не получится. Значит, данная система – квантованная!

Во всём виновата астрономия

О существовании непрерывных (континуальных) и прерывных (квантованных, разрывных, дискретных) величин прекрасно знали ещё древние греки. В своей книге «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимед даже сделал первую попытку установить математическую связь между непрерывными и квантованными величинами. Тем не менее, никакой квантовой физики в те времена не существовало.

Её не существовало вплоть до самого начала 20 века! Такие великие физики, как Галилей, Декарт, Ньютон, Фарадей, Юнг или Максвелл слыхом не слыхивали ни про какую квантовую физику и прекрасно без неё обходились. Вы можете спросить: зачем же тогда учёные придумали квантовую физику? Что такое особенное в физике приключилось? Представьте себе, приключилось. Только совсем не в физике, а в астрономии!

Загадочный спутник

В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель наблюдал самую яркую звезду нашего ночного неба – Сириус. К тому времени астрономы уже знали, что звёзды в нашем небе не являются неподвижными – они движутся, только очень-очень медленно. При этом каждая звезда – это важно! – движется по прямой линии. Так вот, при наблюдениях Сириуса оказалось, что он движется совсем не по прямой. Звезду как бы «шатало» то в одну сторону, то в другую. Путь Сириуса в небе был похож на извилистую линию, которую математики называют «синусоида».

Звезда Сириус и её спутник - Сириус Б

Было понятно, что сама по себе звезда так двигаться не может. Чтобы превратить движение по прямой линии в движение по синусоиде, нужна некая «возмущающая сила». Поэтому Бессель предположил, что вокруг Сириуса вращается тяжёлый спутник – это было самое естественное и разумное объяснение.

Однако расчёты показывали, что масса этого спутника должна быть приблизительно как у нашего с вами Солнца. Тогда почему же мы не видим этот спутник с Земли? Сириус расположен от солнечной системы недалеко – каких-то два с половиной парсека, и объект размером с Солнце должен быть виден очень хорошо...

Трудная получалась задачка. Одни учёные говорили, что этот спутник представляет собой холодную, остывшую звезду – поэтому она абсолютно чёрная и невидима с нашей планеты. Другие говорили, что этот спутник не чёрный, а прозрачный, – потому мы его и не видим. Астрономы всего мира смотрели на Сириус в телескопы и пытались «поймать» загадочный невидимый спутник, а он как будто издевался над ними. Было от чего удивиться, сами понимаете...

Нам нужен чудо-телескоп!

В такой телескоп люди впервые увидели спутник Сириуса

В середине 19-го века в США жил и работал выдающийся конструктор телескопов Элвин Кларк. По первой профессии он был художником, но волей случая превратился в первоклассного инженера, стеклодела и астронома. До сих пор никто не сумел превзойти его потрясающие линзовые телескопы! Один из объективов работы Элвина Кларка (диаметром 76 сантиметров) можно увидеть в Санкт-Петербурге, в музее Пулковской обсерватории...

Однако мы отвлеклись. Итак, в 1867 году Элвин Кларк построил новый телескоп – с объективом диаметром 47 сантиметров; это был самый большой телескоп в США на тот момент. В качестве первого небесного объекта для наблюдений на испытаниях был выбран именно загадочный Сириус. И надежды астрономов блестяще оправдались – в первую же ночь неуловимый спутник Сириуса, предсказанный Бесселем, был обнаружен.

Из огня да в полымя...

Однако, получив данные наблюдений Кларка, астрономы радовались совсем недолго. Ведь, согласно расчётам, масса спутника должна быть приблизительно такая же, как у нашего Солнца (в 333 000 раз больше массы Земли). Но вместо огромного чёрного (или прозрачного) небесного светила астрономы увидели... крохотную белую звёздочку! Эта звёздочка была очень горячей (25 000 градусов, сравните с 5 500 градусами нашего Солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»). Получалось, что у этой звёздочки совершенно невообразимая плотность. Из какого же она тогда состоит вещества?!

На Земле мы знаем материалы с высокой плотностью – скажем, это свинец (кубик со стороной в сантиметр, сделанный из этого металла, весит 11.3 грамма) или золото (19.3 грамма на кубический сантиметр). Плотность вещества спутника Сириуса (его назвали «Сириус Б») составляет миллион (!!!) граммов на кубический сантиметр – оно в 52 тысячи раз тяжелее золота!

Возьмём, например, обычный спичечный коробок. Его объём – 28 кубических сантиметров. Значит, спичечный коробок, наполненный веществом спутника Сириуса, будет весить... 28 тонн! Попробуйте представить – на одной чашке весов спичечный коробок, а на второй – танк!

Была ещё одна проблема. В физике есть закон, который называется законом Шарля. Он утверждает, что в одном и том же объёме давление вещества тем выше, чем выше температура этого вещества. Вспомните, как срывает давлением горячего пара крышку с закипевшего чайника – и сразу поймёте, о чём речь. Так вот, температура вещества спутника Сириуса этот самый закон Шарля нарушала самым бессовестным образом! Давление было невообразимым, а температура – относительно низкой. В итоге получались «неправильные» физические законы и вообще «неправильная» физика. Как у Винни-Пуха – «неправильные пчёлы и неправильный мёд».

Совсем голова кругом...

Чтобы «спасти» физику, в начале 20 века учёным пришлось признать, что в мире существует сразу ДВЕ физики – одна «классическая», известная уже две тысячи лет. А вторая – необычная, квантовая . Учёные предположили, что на обычном, «макроскопическом» уровне нашего мира работают законы классической физики. А вот на самом маленьком, «микроскопическом» уровне вещество и энергия подчиняются совершенно другим законам – квантовым.

Представьте себе нашу планету Земля. Вокруг неё сейчас вращается больше 15 000 самых разных искусственных объектов, каждый по своей орбите. Причём эту орбиту при желании можно поменять (скорректировать) – скажем, периодически корректируется орбита у Международной космической станции (МКС). Это макроскопический уровень, здесь работают законы классической физики (например, законы Ньютона).

А теперь перенесёмся на микроскопический уровень. Представьте себе ядро атома. Вокруг него, подобно спутникам, вращаются электроны – однако их не может быть сколь угодно много (скажем, у атома гелия – не больше двух). И орбиты у электронов будут уже не произвольные, а квантованные, «ступенчатые». Такие орбиты физики ещё называют «разрешёнными энергетическими уровнями». Электрон не может «плавно» перейти с одного разрешённого уровня на другой, он может только мгновенно «перепрыгнуть» с уровня на уровень. Только что был «там», и мгновенно оказался «тут». Он не может оказаться где-то между «там» и «тут». Он меняет местоположение мгновенно.

Удивительно? Удивительно! Но это ещё не всё. Дело в том, что, по законам квантовой физики, два одинаковых электрона не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Никогда. Учёные называют это явление «запрет Паули» (почему этот «запрет» действует, они пока объяснить не могут). Больше всего этот «запрет» напоминает шахматную доску, которую мы приводили в качестве примера квантовой системы, – если на клетке доски стоит пешка, другую пешку на эту клетку уже не поставить. В точности то же самое происходит с электронами!

Решение задачи

Каким же образом – спросите вы – квантовая физика позволяет объяснять такие необычные явления, как нарушение закона Шарля внутри Сириуса Б? А вот каким.

Представьте себе городской парк, в котором есть танцевальная площадка. На улице гуляет много людей, они заходят на танцплощадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танцплощадку может зайти огромное количество народу, – чем больше людей гуляет в парке, тем больше людей танцует на танцплощадке, то есть чем выше давление, тем выше температура. Так работают законы классической физики – в том числе закон Шарля. Такое вещество учёные называют «идеальным газом».

Люди на танцплощадке – «идеальный газ»

Однако на микроскопическом уровне законы классической физики не работают. Там начинают действовать квантовые законы, и это коренным образом меняет ситуацию.

Представим себе, что на месте танцплощадки в парке открыли кафе. В чём разница? Да в том, что в кафе, в отличие от дискотеки, «сколько угодно» людей не войдёт. Как только будут заняты все места за столиками, охрана прекратит пропускать людей внутрь. И пока кто-то из гостей не освободит столик, охрана никого не впустит! В парке гуляет всё больше и больше народу – а в кафе сколько людей было, столько и осталось. Получается, давление увеличивается, а температура «стоит на месте».

Люди в кафе – «квантовый газ»

Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешенные энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно запрету Паули. В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом – высокая, но для звёзд вполне себе обыкновенная. Такое вещество в физике называется «вырожденным квантовым газом».

Продолжим?..

Аномально высокая плотность белых карликов – далеко не единственное явление в физике, требующее использования квантовых законов. Если эта тема вас заинтересовала, в следующих номерах «Лучика» мы можем поговорить и о других, не менее интересных, квантовых явлениях. Пишите! А пока давайте запомним главное:

1. В нашем с вами мире (Вселенной) на макроскопическом (т. е. «большом») уровне действуют законы классической физики. Они описывают свойства обычных жидкостей и газов, движения звёзд и планет и многое другое. Именно эту физику вы изучаете (или будете изучать) в школе.

2. Однако на микроскопическом (то есть невероятно маленьком, в миллионы раз меньше самых мелких бактерий) уровне действуют совершенно другие законы – законы квантовой физики. Законы эти описываются очень сложными математическими формулами, и в школе их не изучают. Однако только квантовая физика позволяет относительно внятно объяснить строение таких удивительных космических объектов, как белые карлики (вроде Сириуса Б), нейтронные звёзды, чёрные дыры и так далее.