Квантoвaя механика «для чaйников»
«Думаю, я смело могу утверждать, что квантовую механику не понимает никто», — сказал нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1964 году. С тех пор прошло больше половины столетия, и некоторые вещи стали выглядеть чуть яснее
1Что вooбщe знaчит «квaнтoвый»?
Слово «квант» означает минимальную неделимую порцию чего-либо. Например, фотон — это квант света. Квантовая механика изучает природу сверхмалых, атомных и субатомных, частиц. К ним относятся, например, электроны, протоны и те же фотоны. Также их называют элементарными частицами.
Способности и свойства сверхмалых объектов кажутся парадоксальными. Частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В школьных учебниках химии упоминаются электронные облака — совокупность точек, где с наибольшей вероятностью может находиться электрон. И во всех этих точках он присутствует в одно и то же время!
У электронов есть и другие свойства, например так называемый спин, собственный момент импульса. И он тоже может принимать разные значения одновременно. Способность элементарной частицы пребывать сразу в разных местах и состояниях называют суперпозицией.
Другое «странное» свойство квантовых объектов — спутанность. Например, в лаборатории можно получить пару фотонов в спутанном состоянии. И тогда, на каком бы расстоянии друг от друга они ни оказались (теоретически хоть в разных галактиках), изменение состояния одного из них повлияет и на другой. С эффектом спутанности связаны проекты квантовой телепортации.
2И я дoлжeн в это пpoсто повеpить?
Вовсе нет. «Странности» микромира легко объяснить. Достаточно вспомнить, что квантовые объекты, хоть и являются частицами, проявляют свойства волны. Всем известно, что свет, состоящий из фотонов, — это электромагнитная волна определенной частоты. Частота поменьше соответствует красному цвету, побольше — фиолетовому.
Представьте, как вы бросаете камень в аквариум. По всей поверхности воды расходятся круги. Получается, волна находится повсюду, то есть в разных местах одновременно. Сделаем волну посложнее — бросим еще один камень. Теперь посмотрим на происходящее в аквариуме сбоку, через стекло. Мы увидим волнистую линию с гребнями разной высоты. Именно так рисуют волновую функцию фотона на графике.
Взгляните на рисунок. Амплитуда волны определяет положение частицы: чем выше гребень, тем больше вероятность при измерении обнаружить там наш фотон. Несколько гребней — наглядное графическое отображение суперпозиции. Частота волны характеризует «количество движения» — момент импульса.
Как объяснить спутанность? Когда вы бросили в аквариум два камня, две волны оказали друг на друга влияние. Можно сказать, что одна волна оставила в другой отпечаток, и наоборот. Так же спутываются волновые функции двух частиц. Теперь, на какое бы расстояние их ни разнесли, при измерении они дадут в чем-то похожие результаты. При этом никакого канала, по которому информация передается быстрее скорости света, между частицами нет. Они просто похожи друг на друга.
3Kaжeтся, в этой истopии eще был кот?
Австрийский физик Эрвин Шрёдингер, один из основоположников квантовой механики, предложил мысленный эксперимент: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной. В счетчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с той же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадется, счетчик приведет в действие молоточек, который разобьет колбу с синильной кислотой… Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мертвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».