Полезные заметки/Квантовая физика

Материал из Викитропов
Перейти к навигации Перейти к поиску
« — Гром гремит, кусты трясутся, что там делают?
— Квантмех.
— Да ну тебя!
»
— башорг

Квантовая физика и её подраздел квантовая механика — один из самых запутанных и сложных разделов физики, и один из самых важных. Квантовая физика описывает законы, по которым работает микромир, мир элементарных частиц. Вся химия как наука вытекает из квантовых свойств электронов, а из свойств протонов и нейтронов вытекает ядерная физика. Описать её всю в статье нереально, но мы напишем о наиболее интересных и популярных явлениях квантового мира, которые часто используют (по назначению или нет) писатели-фантасты.

Частица или волна?

(линк)

Эксперимент HITACHI с интерференцией одиночных электронов

Самое известное в народе удивительное явление квантовой физики — что фотон является одновременно частицей и волной (корпускулярно-волновая теория света). Но но далеко не все понимают, в чём именно это заключается. А о том, что это распространяется и на остальные частицы, знают ещё меньше.

Чем вообще отличается частица от волны? У частицы есть положение в пространстве и скорость. У волны определённого положения в пространстве нет, определённой скорости — чаще всего тоже, зато есть всякие интересные волновые свойства. Например, дифракция — любая волна огибает поставленное перед ней препятствие. Или интерференция — две волны «складываются», формируя области с разной интенсивностью.

Соответственно, фотоэффект (пучок света выбивает электроны из поверхности металла) — проявление корпускулярных свойств света. А волновые свойства может проявлять даже электрон — если выпустить один электрон через две «щели», сформированные электрическим полем, в сторону экрана, и повторить это достаточное количество раз, мы получим на экране характерные для волн полосы, так называемую интерференционную картину[1] — потому что электрон, прошедший через одну щель, интерферировал с самим собой же, но прошедшим через другую щель. Поэтому вполне корректным будет утверждение, что электрон прошёл одновременно через обе щели.

Квантовые неопределенности

Тот факт, что электрон может пройти одновременно через две щели, потихоньку подводит нас к принципиальным неопределённостям, встречающимся в квантовой механике на каждом шагу. Квантовое состояние описывается так называемыми амплитудами вероятности — комплексными числами, соответствующими различным состояниям с определёнными значениями наблюдаемых физических величин. Это значит, что конкретные значения этих физ. величин есть далеко не в каждом состоянии — только усреднённые, и от флуктуаций значений этих величин при измерении мы не можем избавиться принципиально.

Кот Шрёдингера — классическая иллюстрация квантовых неопределённостей. Пока ящик не открыли, состояние у кота такое же, как и у радиоактивного атома — то есть как бы одновременно и жив, и мёртв. Такое явление часто любят называть суперпозицией. Впрочем, это состояние разрушается, как только мы открываем крышку и узнаём, жив кот или нет.

Скрытые параметры

Может показаться, что причина получившихся неопределённостей — не природа квантовой механики, а несовершенство экспериментальной установки. Что, если на результат эксперимента влияют какие-то параметры, которые экспериментатор не учёл и не может контролировать? Именно так и появилась теория скрытых параметров. Одним из её главных апологетов был никто иной как Эйнштейн — его знаменитая фраза «Бог не играет в кости» как раз означает абсурдность предположения о том, что многие процессы имеют принципиально случайный характер.

Чтобы выяснить, есть ли в квантах скрытые параметры или всё-таки нет, были придуманы неравенства Белла — специальный статистический эксперимент, результат которого должен показать, есть ли какие-то скрытые параметры или же нет. Очень сильно упрощая, для этого нужно собрать установку из одного источника пар связанных фотонов, нескольких детекторов и призм, после чего посчитать частоту срабатываний по отношению к выпущенным парам фотонов; если скрытые параметры есть, то мы никак не можем получить больше двух. На самом деле, таких экспериментов к нашему времени предложено уже несколько — но в 1964, когда была опубликована первая статья, техника ещё не достигла таких высот, и провести нужный эксперимент не мыслилось реальным, и идею до поры до времени отложили.

Однако экспериментатор Ален Аспе загорелся идеей проверить неравенства Белла. Он опубликовал схему эксперимента в 1975 и затем долго и нудно собирал, разбирал и пересобирал свою экспериментальную установку, пока в 1980 не опубликовал свой результат: 2,23 ± 0,05. А значит, неравенства Белла в квантовой механике нарушаются, и никаких скрытых параметров нет. За это он в 2022 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

К слову, именно по соблюдению неравенств Белла на квантовой линии связи (где информация закодирована в состоянии одиночных фотонов) можно обнаружить прослушку — такая вот квантовая криптография.

Квантовые наблюдения

Пример с котом Шрёдингера показывает, что проводимые наблюдения изменяют состояние объекта. Это далеко не так абсурдно, как кажется на первый взгляд: действительно, чтобы убедиться, что кот жив (или мёртв), нужно, чтобы пучок фотонов попал на кота, а потом отразился от него нам в глаза — а кто может гарантировать, что в процессе отражения фотоны никак не повлияли на состояние кота? А если это был не большой кот, а маленький атом, которые может изменить своё состояние от взаимодействия с одним фотоном?

Отдельный прикол — это принцип неопределённости Гейзенберга, утверждающий, что далеко не всегда мы можем одновременно измерить две величины с достаточно большой точностью. В частности, нельзя одновременно измерить положение и импульс частицы: чем точнее измеряем положение, тем больше влияем на импульс и выше погрешность его измерения — и наоборот.

Из принципа неопределенности Гейзенберга вытекает нижний предел размера элементарной частицы: если частица очень маленькая, то она должна быть очень быстрой и иметь большую энергию покоя, то есть массу. Это порождает парадокс, похоронивший теорию преонов (субкварковых частиц) в её классическом виде: гипотетические составные кирпичики кварков и электронов оказывались слишком высокоэнергетическими, а значит — более тяжёлыми, чем сами кварки и электроны. Поэтому сейчас принято считать, что кварки и лептоны внутренней структуры не имеют, а различные теории, приписывающие им таковую, описывают её более экзотично, чем просто «наборы точечных частиц» — колебания струн, переплетения кос и др.

Квантовая запутанность

Также известна как «призрачное действие на расстоянии» — феномен, напоминающий мгновенную (сверхсветовую) связь между двумя частицами. Частицы как бы составляют пару, и когда измеряют характеристики одной частицы, тут же становятся известны характеристики и второй.

Удачнее всего описывает этот феномен следующая аналогия: пусть у нас под диваном валяется пара тапочек. И мы знаем точно только то, что одна из этих тапочек — левая, а другая — правая, но где какая — увы, неизвестно. Однако когда мы вытаскиваем одну из них из-под дивана и видим, что она правая, вторая тапочка автоматически становится левой, хотя её-то мы как раз не измеряли. И при этом этим двум тапочкам вовсе не обязательно лежать под одним диваном — достаточно знать, что когда-то эти две тапочки были поставлены в пару на тапочкостроительном заводе (то есть их состояния были запутанны).

Запутанное состояние двух квантовых объектов важно тем, что не может быть описано состояниями этих объектов отдельно от друг друга. Так, описанное выше состояние «Пара тапочек» является запутанным, поскольку описывается словами «Первая тапочка — левая, а вторая — правая, или наоборот». Состояние «Первая тапочка левая, а вторая — правая» при этом запутанным не является — так как полностью описывается состояниями отдельных тапочек «Первая тапочка — левая» и «Вторая тапочка — правая».

Таким образом, передачи информации при измерении запутанного состояния не происходит. По этой причине фантасты, объясняющие квантовой запутанностью принцип действия сверхсветовой связи или телепатии, неправы.

Квантовый компьютер

Многие слышали о том, что такой компьютер в разы превосходит по производительности обычный, вплоть до того что способен взломать систему безопасности любого банка. Но на самом деле его возможности применения гораздо шире.

Квантовый компьютер, в отличие от обыкновенного, в качестве основной информационной единицы используется не обычный бит, имеющий два состояния — «или 0, или 1», а квантовый бит, или кубит, состояние которого можно сопоставить точке на сфере. Компьютер такого типа использует разные квантовые законы для того, чтобы существенно ускорить решение многих математических задач — например, разложение числа на простые множители. Поскольку большая часть современных методов шифрования завязана на тот факт, что раскладывать числа на простые множители сложно, неудивительно, что квантовый компьютер в фантастических рассказах часто используют для взлома. Впрочем, до практической реализации такого ещё далеко — в 2001 году, когда работоспособность алгоритма была доказана, на простые множители разложили… число 15, для чего потребовался квантовый компьютер на 7 кубитов. Сейчас, к слову, у квантовых компьютеров кубитов в среднем 50, и они есть во многих лабораториях — в том числе и в России.

Некоторые считают, что только на квантовом компьютере можно построить полноценный разумный искусственный интеллект, так как разум якобы имеет квантовую природу. Это утверждение, однако, абсолютно бездоказательно и ничем пока не подтверждено — зато в хвост и в гриву эксплуатируется различными парапсихологами, которые подобрали за писателями-фантастами вышеупомянутый квантовый обоснуй псионических способностей.

Зато квантовые компьютеры в реальности можно использовать для моделирования различных квантовых систем — например, точно рассчитывать свойства разных молекул, что позволит создавать новые материалы: лёгкие и прочные сплавы, всякие лекарства и иже с ними.

Квантование на макроуровне

В некоторых фантастических произведениях разные удивительные явления объясняются квантованием на макроуровне — когда макроскопические объекты начинают проявлять свойства элементарных частиц. И вот, звездолёт ВНЕЗАПНО оказывается не на Земле, а на Альфе Центавра. Не следует забывать, однако, что у элементарных частиц есть все эти необычные свойства, но нет самых обычных — формы, структуры, внутреннего устройства. Квант потому и называется квантом, что это мельчайший, неделимый «пиксель» бытия. Поэтому если придать квантовые свойства звездолёту, чтобы перенести его на другое место — вообще не факт, что прибудет к месту назначения именно звездолёт с каютами, оборудованием и людьми внутри.

Пример произведения, где квантование на макроуровне описывается более или менее корректно — «Бич времён» Головачева, где это опасное явление футуристической науки, от которого легко можно отдать концы, утратив внутреннюю структуру организма.

Примечания

  1. Такую же картину можно увидеть в домашних условиях, если посветить лазерной указкой на стену через преграду с двумя щелями. В качестве преграды подойдёт обычная игла.