ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВАЯ ФИЗИКА?
ЧТО ТАKОЕ КВАНТОВАЯ ФИЗИКА?
«Лучик 6+», № 10 (47) 2018, стр. 38–46
Услышав слова «квантовая физика», люди обычно отмахиваются: «Это что-то чересчур 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.
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.
Давай 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?
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-го 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».
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 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 5500 градусами нашего солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»).
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.
Совсем голова кругом…
Чтобы «спасти» физику, в начале 20-го 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 танц-площадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танц-площадку 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».
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».
Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешённые энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно Паули.
В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом высокая (хотя 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 (то есть «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.
ПОДПИСАТЬСЯ НА «ЛУЧИК 6+» >>>
ГДЕ КУПИТЬ ЖУРНАЛ «ЛУЧИК 6+» >>>
что на самом деле реально? / Хабр
По словам Оуэна Маруни, работающего физиком в Оксфордском университете, с момента появления квантовой теории в 1900-х годах все говорили о странности этой теории. Как она позволяет частицам и атомам двигаться в нескольких направлениях одновременно, или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки. Но словами ничего не докажешь. «Если мы рассказываем общественности, что квантовая теория очень странная, нам необходимо проверить это утверждение экспериментально,- говорит Маруни. – А иначе мы не наукой занимаемся, а рассказываем про всякие закорючки на доске».
Именно это навело Маруни сотоварищи на мысль разработать новую серию экспериментов для раскрытия сути волновой функции – загадочной сущности, лежащей в основе квантовых странностей. На бумаге, волновая функция – просто математический объект, обозначаемый буквой пси (Ψ) (одна из тех самых закорючек), и используется для описания квантового поведения частиц. В зависимости от эксперимента, волновая функция позволяет учёным вычислять вероятность наблюдения электрона в каком-то конкретном месте, или шансы того, что его спин ориентирован вверх или вниз. Но математика не говорит о том, что на самом деле такое волновая функция. Это нечто физическое? Или просто вычислительный инструмент, позволяющий работать с невежественностью наблюдателя касательно реального мира?
Использованные для ответа на вопрос тесты очень тонкие, и им всё ещё предстоит выдать однозначный ответ. Но исследователи оптимистичны в том, что развязка близка. И им, наконец, удастся ответить на вопросы, мучавшие всех десятки лет.
Может ли частица реально быть во многих местах одновременно? Делится ли Вселенная постоянно на параллельные миры, в каждом из которых существует наша альтернативная версия? Существует ли вообще нечто под названием «объективная реальность»?
«Такие вопросы рано или поздно появляются у любого»,- говорит Алессандро Федриччи, физик из Квинслендского университета (Австралия). «Что на самом деле реально?»
Споры о существе реальности начались ещё тогда, когда физики выяснили, что волна и частица – лишь две стороны одной медали. Классический пример – эксперимент с двумя щелями, где отдельные электроны выстреливаются в барьер, имеющий две щели: электрон ведёт себя так, будто проходит через две щели одновременно, создавая полосатый рисунок интерференции с другой её стороны. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер придумал волновую функцию для описания этого поведения и вывел уравнение, позволявшее вычислять её для любой ситуации. Но ни он, ни кто либо ещё, не мог ничего рассказать о природе этой функции.
Благодать в невежестве
С практической точки зрения её природа не важна. Копенгагенская интерпретация квантовой теории, созданная в 1920-х годах Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, использует волновую функцию просто как инструмент для предсказания результатов наблюдений, позволяя не думать о том, что происходит при этом в реальности. «Нельзя винить физиков в такой модели поведения, „заткнись и считай“, поскольку она привела к значительным прорывам в ядерной и атомной физике, физике твёрдого тела и физике элементарных частиц»,- говорит Джин Брикмонт, специалист по статистической физике Католического университета в Бельгии. «Поэтому люди советуют не волноваться относительно фундаментальных вопросов».
Но некоторые всё равно волнуются. К 1930-м годам Эйнштейн отверг копенгагенскую интерпретацию, не в последнюю очередь потому, что она позволяла двум частицам спутывать свои волновые функции, что приводило к ситуации, в которой измерения одной из них могли мгновенно дать состояние другой, даже если они при этом разделены огромными расстояниями.
Чтобы не смиряться с этим «пугающим взаимодействием на расстоянии», Эйнштейн предпочитал верить, что волновые функции частиц были неполны. Он говорил, что возможно, у частиц есть некие скрытые переменные, определяющие результат измерения, которые не были замечены квантовой теорией.
Эксперименты с тех пор продемонстрировали работоспособность пугающего взаимодействия на расстоянии, что отвергает концепцию скрытых переменных. но это не остановило остальных физиков интерпретировать их по-своему. Эти интерпретации делятся на два лагеря. Одни соглашаются с Эйнштейном в том, что волновая функция отражает наше невежество. Это то, что философы зовут пси-эпистемическими моделями. А другие рассматривают волновую функцию как реальную вещь – пси-онтические модели.
Чтобы понять разницу, представим себе мысленный эксперимент Шрёдингера, описанный им в 1935 году в письме Эйнштейну. Кот находится в стальной коробке. Коробка содержит образец радиоактивного материала, у которого есть 50% шанс испустить продукт распада за один час, и аппарат, отравляющий кота в случае, если этот продукт будет обнаружен.
Поскольку радиоактивный распад – событие квантового уровня, пишет Шрёдингер, правила квантовой теории говорят, что в конце часа волновая функция внутренностей коробки должна быть смесью из мёртвого и живого кота.
«Грубо говоря,- мягко выражается Федриччи,- в пси-эпистемической модели кот в коробке либо жив, либо мёртв, и мы просто не знаем этого из-за того, что коробка закрыта». А в большинстве пси-онтических моделей существует согласие с копенгагенской интерпретацией: пока наблюдатель не откроет коробку, кот одновременно будет и жив и мёртв.
Но тут спор заходит в тупик. Какая из интерпретаций истинна? На этот вопрос сложно ответить экспериментально, поскольку разница между моделями очень тонка. Они по сути должны предсказать то же квантовое явление, что и очень успешная копенгагенская интерпретация. Эндрю Уайт, физик из Квинслендского университета, говорит, что за его 20-летнюю карьеру в квантовых технологиях «эта задача была как огромная гладкая гора без уступов, к которой нельзя было подступиться».
Всё поменялось в 2011 году, с опубликованием теоремы о квантовых измерениях, которая вроде бы устранила подход «волновая функция как невежество». Но по ближайшему рассмотрению оказалось, что эта теорема оставляет достаточно место для их манёвра. Тем не менее, она вдохновила физиков серьёзно задуматься о способах решения спора путём тестирования реальности волновой функции. Маруни уже разработал эксперимент, который в принципе работоспособен, и он с коллегами вскоре нашёл способ заставить его работать на практике. Эксперимент был проведён в прошлом году Федриччи, Уайтом и другими.
Для понимания идеи теста представьте две колоды карт. В одной есть только красные, в другой – только тузы. «Вам дают карту и просят определить, из какой она колоды»,- говорит Мартин Рингбауэр, физик из того же университета. Если это красный туз, «случается пересечение, и вы не сможете сказать этого определённо». Но если вы знаете, сколько карт в каждой колоде, можно подсчитать, как часто будет возникать такая двусмысленная ситуация.
Физика в опасности
Такая же двусмысленность случается и в квантовых системах. Не всегда можно одним измерением узнать, например, как поляризован фотон. «В реально жизни просто отличить запад от направления чуть южнее запада, но в квантовых системах это не так просто»,- говорит Уайт. Согласно стандартной копенгагенской интерпретации, нет смысла спрашивать о поляризации, поскольку у вопроса нет ответа – пока ещё одно измерение не определит ответ в точности. Но согласно модели «волновая функция как невежество», вопрос имеет смысл – просто в эксперименте, как и в том, с колодами карт, не хватает информации. Как и с картами, возможно предсказать, сколько двусмысленных ситуаций можно объяснить таким невежеством, и сравнить с большим количеством двусмысленных ситуаций, разрешённых стандартной теорией.
Именно это и проверяли Федриччи с командой. Группа измеряла поляризацию и другие свойства в луче фотонов, и находила уровень пересечений, который нельзя объяснить моделями «невежества».
Результат поддерживает альтернативную теорию – если объективная реальность существует, то существует и волновая функция. «Впечатляет, что команда смогла решить такую сложную задачу таким простым экспериментом»,- говорит Андреа Альберти, физик из Университета Бонна (Германия).
Вывод ещё не высечен в граните: поскольку детекторы улавливали лишь пятую часть использованных в тесте фотонов, приходится предполагать, что утерянные фотоны вели себя точно так же. Это сильное предположение, и сейчас группа работает над тем, чтобы уменьшить потери и выдать более определённый результат. В это время команда МАруни в Оксфорде работает с Университетом Нового Южного Уэльса (Австралия), чтобы повторить такой опыт с ионами, которых проще отслеживать. «В ближайшие шесть месяцев у нас будет неоспоримая версия этого эксперимента»,- говорит Маруни.
Но даже если их ждёт успех и победят модели «волновая функция как реальность», то и у этих моделей есть разные варианты. Экспериментаторам придётся выбирать один из них.
Одна из самых ранних интерпретаций была сделана в 1920-х годах французом Луи де Бройлем, и расширена в 1950-х американцем Дэвидом Бомом. Согласно моделям Бройля-Бома, у частиц есть определённое местоположение и свойства, но их ведёт некая «пилотная волна», которая и определяется как волновая функция. Это объясняет эксперимент с двумя щелями, поскольку пилотная волна может пройти через обе щели и выдать картину интерференции, хотя сам электрон, влекомый ею, проходит только через одну щель из двух.
В 2005 году эта модель получила неожиданную поддержку. Физики Эммануэль Форт, сейчас работающий в Институте Лангевина в Париже, и Ив Кодье из Университета Париж Дидро задали студентам простую, по их мнению, задачку: поставить эксперимент, в котором капли масла, падающие на поднос, будут сливаться из-за вибраций подноса. К удивлению всех вокруг капель начали образовываться волны, когда поднос вибрировал с определённой частотой. «Капли начали передвигаться самостоятельно по своим собственным волнам»,- говорит Форт.
«Это был дуальный объект – частица, влекомая волной».
С тех пор форт и Кодье показали, что такие волны могут провести свои частицы в эксперименте с двумя щелями точно как предсказывает теория пилотной волны, и могут воспроизводить другие квантовые эффекты. Но это не доказывает существование пилотных волн в квантовом мире. «Нам говорили, что такие эффекты в классической физике невозможны,- говорит Форт. – И тут мы показали, что возможны».
Ещё один набор моделей, основанных на реальности, разработанный в 1980-х, пытается объяснить сильную разницу свойств у больших и малых объектов. «Почему электроны и атомы могут быть в двух местах одновременно, а столы, стулья, люди и коты – не могут»,-говорит Анджело Баси, физик Триестского университета (Италия). Известные как «коллапсные модели», эти теории говорят, что волновые функции отдельных частиц реальны, но могут терять свои квантовые свойства и приводить частицу в определённое положение в пространстве. Модели построены так, что шансы такого коллапса чрезвычайно малы для отдельной частицы, так что на атомном уровне доминируют квантовые эффекты.
Но вероятность коллапса быстро растёт при объединении частиц, и макроскопические объекты полностью теряют свои квантовые свойства и ведут себя согласно законам классической физики.
Один из способов это проверить – искать квантовые эффекты у больших объектов. Если верна стандартная квантовая теория, то ограничений на размер нет. И физики уже провели эксперимент с двумя щелями при помощи больших молекул. Но если верны модели коллапса, то квантовые эффекты не будут видны при превышении определённой массы. Разные группы планируют искать эту массу, используя холодные атомы, молекулы, металлические кластеры и наночастицы. Они надеются обнаружить результаты в ближайшие десять лет. «Что классно с этими экспериментами, так это то, что мы будем подвергать квантовую теорию точным тестам там, где её ещё не проверяли»,- говорит Маруни.
Одна модель «волновая функция как реальность» уже известна и любима писателями-фантастами. Это многомировая интерпретация, выработанная в 1950-х Хью Эвереттом, который в то время был студентом Принстонского университета в Нью-Джерси.
В этой модели волновая функция так сильно определяет развитие реальности, что при каждом квантовом измерении Вселенная расщепляется на параллельные миры. Иными словами, открывая коробку с котом, мы порождаем две Вселенные – одна с мёртвым котом, а другая – с живым.
Сложно разделить эту интерпретацию и стандартную квантовую теорию, поскольку их предсказания совпадают. Но в прошлом году Говард Вайзман из Гриффитского университета в Брисбейне с коллегами предложил модель мультивёрса, которую можно проверить. В их модели нет волновой функции – частицы подчиняются классической физике, законам Ньютона. А странные эффекты квантового мира появляются потому, что между частицами и их клонами в параллельных вселенных есть отталкивающие силы. «Отталкивающая сила между ними порождает волны, распространяющиеся по всем параллельным мирам»,- говорит Вайзман.
Используя компьютерную симуляцию, в которой взаимодействовали 41 вселенная, они показали, что модель грубо воспроизводит несколько квантовых эффектов, включая траектории частиц в эксперименте с двумя щелями.
При увеличении количества миров рисунок интерференции стремится к реальному. Поскольку предсказания теории разнятся в зависимости от количества миров, говорит Вайзман, можно проверить, права ли модель мультивёрса – то есть, что никакой волновой функции нет, а реальность работает по классическим законам.
Поскольку в этой модели волновая функция не нужна, она останется жизнеспособной, даже если будущие эксперименты исключат модели с «невежеством». Кроме неё выживут другие модели, например, копенгагенская интерпретация, которые утверждают, что нет объективной реальности, а есть лишь вычисления.
Но тогда, как говорит Уайт, этот вопрос и станет объектом изучения. И хотя пока никто не знает, как это сделать, «что было бы реально интересным, так это разработать тест, проверяющий, есть ли у нас вообще объективная реальность».
Что такое квантовая теория поля?
Квантовые теории, объясняющие, как работают силы природы
Квантовая теория поля объединяет идеи других квантовых теорий, изображая все частицы как «возбуждения», возникающие в основных полях.
Британский физик Поль Дирак начал работу в конце 1920-х годов со своего уравнения, описывающего поведение релятивистских электронов, а вместе с ним и большинства других частиц материи.
Стандартная квантовая теория, разработанная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в XIX веке.20 с подходит для описания работы отдельных частиц изолированно и на малых скоростях. Но чтобы объяснить их взаимодействие в реальном мире, нужно нечто большее.
В частности, вам нужно соединить квантовую теорию со специальной теорией относительности, теорией Эйнштейна о том, как пространство и время искривляются для вещей, движущихся с высокой скоростью. Специальная теория относительности говорит, что масса и энергия взаимозаменяемы, что выражается уравнением E = m c 2 . Между тем квантовый принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что частицы могут заимствовать энергию у вакуума на определенное время.
У уравнения Дирака было одно жало: оно предсказывало существование частицы, идентичной электрону во всех отношениях, за исключением противоположного электрического заряда.
Позитрон, первая частица антиматерии, была должным образом обнаружена в космических лучах несколькими годами позже. Это была первая частица из целого нового зверинца частиц, предложенного теоретиками по мере развития квантовых теорий поля, а позже появившегося в реальности.
В основе стандартной модели физики элементарных частиц лежат две квантовые теории поля. Продукт многих десятилетий теоретической работы, тщательно подтвержденный экспериментом, эта модель охватывает работу трех из четырех сил природы посредством взаимодействия переносящих силы бозонных частиц с фермионами, создающими материю.
Квантовая электродинамика (КЭД) — это единая «электрослабая» теория электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, которая управляет ядерными процессами, такими как радиоактивный бета-распад, который играет решающую роль, например, в том, как Солнце сжигает свое топливо.
Квантовая хромодинамика (КХД), тем временем, является теорией сильного ядерного взаимодействия.
Эта сильная, очень короткодействующая сила, передаваемая бозонами, называемыми глюонами, связывает кварки вместе, образуя такие частицы, как протоны и нейтроны.
Венец славы стандартной модели пришелся на 2012 год с открытием бозона Хиггса, предсказанного почти пятью десятилетиями ранее. Масса — наиболее твердое свойство материи, а масса фундаментальной частицы определяется степенью ее взаимодействия с бозоном Хиггса. Согласно теории, впервые предложенной в 19 в.64, похожее на патоку поле, связанное с бозоном Хиггса, обеспечивает сопротивление, которое варьируется в зависимости от типа частиц.
Чего нам все еще не хватает, так это квантовой полевой теории гравитации. Единственная из четырех сил, гравитация не имеет связанных с ней частиц, и вместо этого объясняется общей теорией относительности Эйнштейна как искривление пространства-времени — совсем другое дело.
Квантовая физика: что реально реально?
Эксперимент, показывающий, что капли масла могут перемещаться в жидкой ванне с помощью генерируемых ими волн, побудил физиков пересмотреть идею о том, что что-то подобное позволяет частицам вести себя как волны.
Предоставлено: Дэн Харрис/MIT
Оуэн Марони беспокоится, что физики большую часть века занимались мошенничеством.
С тех пор, как они изобрели квантовую теорию в начале 1900-х годов, объясняет Марони, который сам является физиком из Оксфордского университета, Великобритания, они говорили о том, насколько она странная — как она позволяет частицам и атомам двигаться во многих направлениях. например, одновременно или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки. Но разговоры не доказательство, говорит Марони. «Если мы скажем публике, что квантовая теория странная, нам лучше пойти и проверить, действительно ли она верна», — говорит он. «Иначе мы не занимаемся наукой, мы просто объясняем какие-то забавные закорючки на доске».
Именно это мнение побудило Марони и других разработать новую серию экспериментов, чтобы раскрыть природу волновой функции — загадочной сущности, лежащей в основе квантовых странностей. На бумаге волновая функция — это просто математический объект, который физики обозначают греческой буквой psi ( Ψ ) — одной из забавных закорючек Марони — и используют для описания квантового поведения частицы.
В зависимости от эксперимента волновая функция позволяет им рассчитать вероятность наблюдения электрона в любом конкретном месте или вероятность того, что его спин направлен вверх или вниз. Но математика не проливает света на то, чем на самом деле является волновая функция. Это физическая вещь? Или просто вычислительный инструмент для обработки невежества наблюдателя о мире?
Используемые для этого тесты очень тонкие и пока не дали однозначного ответа. Но исследователи оптимистичны в том, что решение близко. Если это так, то они, наконец, смогут ответить на вопросы, которые тянулись десятилетиями. Может ли частица действительно находиться во многих местах одновременно? Вселенная постоянно делится на параллельные миры, в каждом из которых есть альтернативная версия нас самих? Существует ли вообще такая вещь, как объективная реальность?
«Такие вопросы когда-либо задавали себе все», — говорит Алессандро Федрицци, физик из Университета Квинсленда в Брисбене, Австралия. «Что на самом деле реально?»
Споры о природе реальности восходят к осознанию физиками на заре квантовой теории того, что частицы и волны являются двумя сторонами одной медали.
Классическим примером является эксперимент с двумя щелями, в котором отдельные электроны выстреливаются в барьер с двумя отверстиями: кажется, что электрон проходит через обе щели точно так же, как световая волна, создавая полосчатую интерференционную картину на другом. сторона (см. «Странные явления волна-частица»). В 1926 году австрийский физик Эрвин Шредингер изобрел волновую функцию для описания такого поведения и разработал уравнение, которое позволило физикам вычислить его в любой заданной ситуации 1 . Но ни он, ни кто-либо другой не могли ничего сказать о природе волновой функции.
Невежество — это блаженство
С практической точки зрения его природа не имеет значения. Учебник «Копенгагенская интерпретация квантовой теории», разработанный в 1920-х годах в основном физиками Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, рассматривает волновую функцию как не более чем инструмент для предсказания результатов наблюдений и предостерегает физиков от того, чтобы они не беспокоились о том, как реальность выглядит под ней.
. «Нельзя винить большинство физиков в том, что они следуют принципу «заткнись и вычисляй», потому что это привело к огромным достижениям в ядерной физике, атомной физике, физике твердого тела и физике элементарных частиц», — говорит Джин Брикмонт, физик-статистик из Католический университет Лувена в Бельгии. «Так говорят люди, давайте не будем беспокоиться о больших вопросах».
Но некоторые физики все равно беспокоятся. К 1930-м годам Альберт Эйнштейн отверг копенгагенскую интерпретацию — не в последнюю очередь потому, что она позволяла двум частицам запутывать свои волновые функции, создавая ситуацию, в которой измерения одной могли мгновенно определить состояние другой, даже если частицы были разделены огромными расстояниями. Вместо того, чтобы принять такое «жуткое действие на расстоянии», Эйнштейн предпочитал верить, что волновые функции частиц неполны. Возможно, предположил он, у частиц есть какие-то «скрытые переменные», определяющие результат измерения, но квантовые теории их не учитывают.
Последующие эксперименты показали, что это жуткое действие на расстоянии вполне реально, что исключает конкретную версию скрытых переменных, за которую выступал Эйнштейн. Но это не помешало другим физикам придумать собственные интерпретации. Эти интерпретации делятся на два широких лагеря. Есть те, кто согласен с Эйнштейном в том, что волновая функция представляет наше невежество — то, что философы называют пси-эпистемическими моделями. И есть те, кто рассматривает волновую функцию как реальную сущность — пси-онтические модели.
Чтобы оценить разницу, рассмотрим мысленный эксперимент, описанный Шрёдингером в письме Эйнштейну в 1935 году. Представьте, что кошка заключена в стальной ящик. И представьте, что в ящике также находится образец радиоактивного материала, который с вероятностью 50% выделяет продукты распада за один час, вместе с аппаратом, который отравит кота, если тот обнаружит такой распад. Поскольку радиоактивный распад — это квантовое событие, писал Шредингер, правила квантовой теории гласят, что к концу часа волновая функция внутренней части ящика должна представлять собой равную смесь живой кошки и мертвой кошки.
«Грубо говоря, — говорит Федрицци, — в пси-эпистемической модели кот в ящике либо жив, либо мертв, и мы просто не знаем, потому что ящик закрыт». Но большинство пси-онтических моделей согласны с копенгагенской интерпретацией: пока наблюдатель не откроет коробку и не посмотрит, кошка и жива, и мертва.
Но здесь дискуссия застревает. Какая из многочисленных интерпретаций квантовой теории — если таковая имеется — верна? На этот вопрос сложно ответить экспериментально, потому что различия между моделями очень тонкие: чтобы быть жизнеспособными, они должны предсказывать практически те же самые квантовые явления, что и очень успешная копенгагенская интерпретация. Эндрю Уайт, физик из Университета Квинсленда, говорит, что на протяжении большей части его 20-летней карьеры в области квантовых технологий «проблема была похожа на гигантскую гладкую гору без опор, на которую невозможно было бы напасть».
Ситуация изменилась в 2011 году с публикацией теоремы о квантовых измерениях, которая, казалось, исключала модели волновой функции как невежества 2 .
Однако при ближайшем рассмотрении оказалось, что теорема оставляет им достаточно места для маневра, чтобы выжить. Тем не менее, это вдохновило физиков на серьезные размышления о способах разрешения споров путем фактической проверки реальности волновой функции. Марони уже разработал эксперимент, который в принципе должен был сработать 3 , и вскоре он и другие нашли способы заставить его работать на практике 4,5,6 . Эксперимент был проведен в прошлом году Fedrizzi, White и др. 7 .
Чтобы проиллюстрировать идею теста, представьте себе две стопки игральных карт. В одном только красные карточки; другой содержит только тузы. «Вам дают карту и просят определить, из какой она колоды», — говорит Мартин Рингбауэр, физик из Университета Квинсленда. Если это красный туз, говорит он, «есть наложение, и вы не сможете сказать, откуда он взялся». Но если знать, сколько карт каждого типа в каждой колоде, можно хотя бы подсчитать, как часто будут возникать такие неоднозначные ситуации.
Природа специальный: Квантовый атом
На грани
Подобная неоднозначность возникает в квантовых системах. Например, не всегда возможно за одно измерение в лаборатории определить, как поляризован фотон. «В реальной жизни довольно легко отличить запад от немного южнее запада, но в квантовых системах это не так просто», — говорит Уайт. Согласно стандартной копенгагенской интерпретации, нет смысла спрашивать, что такое поляризация, потому что на этот вопрос нет ответа — или, по крайней мере, до тех пор, пока другое измерение не сможет точно определить этот ответ. Но в соответствии с моделями волновой функции как невежества вопрос вполне осмыслен; просто у экспериментаторов, таких как игрок в карточную игру, недостаточно информации из одного измерения, чтобы ответить. Как и в случае с картами, можно оценить, какая двусмысленность может быть объяснена таким невежеством, и сравнить ее с большей двусмысленностью, допускаемой стандартной теорией.
По сути, это то, что проверила команда Федрицци. Группа измерила поляризацию и другие особенности пучка фотонов и обнаружила уровень перекрытия, который нельзя было объяснить моделями невежества. Результаты подтверждают альтернативную точку зрения, что если объективная реальность существует, то и волновая функция реальна. «Это действительно впечатляет, что команда смогла решить серьезную проблему с помощью, на самом деле, очень простого эксперимента», — говорит Андреа Альберти, физик из Боннского университета в Германии.
Однако вывод по-прежнему не является железным: поскольку детекторы зафиксировали только около одной пятой фотонов, использованных в тесте, команде пришлось предположить, что потерянные фотоны ведут себя таким же образом 7 . Это большое предположение, и в настоящее время группа работает над устранением пробела в выборке, чтобы получить окончательный результат. Тем временем команда Марони из Оксфорда сотрудничает с группой из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии, чтобы провести аналогичные тесты с ионами, которые легче отслеживать, чем фотоны.
«В течение следующих шести месяцев у нас может быть герметичная версия этого эксперимента», — говорит Марони.
Но даже если их усилия увенчаются успехом и предпочтение будет отдано моделям волновой функции как реальности, эти модели бывают самых разных вкусов, и экспериментаторам все равно придется их разбирать.
Одна из первых таких интерпретаций была изложена в 1920-х годах французским физиком Луи де Бройлем 8 и расширена в 1950-х годах американским физиком Дэвидом Бомом 9,10 . Согласно моделям де Бройля-Бома, частицы имеют определенное местоположение и свойства, но управляются своего рода «пилотной волной», которую часто отождествляют с волновой функцией. Это могло бы объяснить эксперимент с двумя щелями, потому что пилотная волна могла бы пройти через обе щели и создать интерференционную картину на дальней стороне, даже если электрон, направляемый ею, должен был бы пройти через одну или другую щель.
В 2005 г. механика де Бройля-Бома получила экспериментальное развитие из неожиданного источника.
Физики Эммануэль Фор, сейчас работающий в Институте Ланжевена в Париже, и Ив Кудер из Парижского университета Дидро дали студентам на лабораторном занятии бакалавриата то, что, по их мнению, будет довольно простой задачей: провести эксперимент, чтобы увидеть, как капли масла падают в лоток, заполненный маслом, сливался при вибрации лотка. Ко всеобщему удивлению, вокруг капель начала формироваться рябь, когда лоток достиг определенной частоты вибрации. «Капли были самодвижущимися — скользили по волнам или шли по своим собственным волнам», — говорит Форт. «Это был двойной объект, который мы видели — частица, движимая волной».
С тех пор Форт и Кудер показали, что такие волны могут направлять этих «ходоков» через эксперимент с двумя щелями, как это предсказывает теория пилотных волн, и могут также имитировать другие квантовые эффекты 11 . Это не доказывает, что пилотные волны существуют в квантовой сфере, предупреждает Форт. Но это показывает, как может работать пилотная волна атомного масштаба.
«Нам сказали, что такие эффекты не могут происходить классически, — говорит он, — и вот мы показываем, что они случаются».
Нам сказали, что такие эффекты не могут происходить в классическом понимании, и вот мы показываем, что они случаются.
Другой набор основанных на реальности моделей, разработанных в 1980-х годах, пытается объяснить поразительно разные свойства маленьких и больших объектов. «Почему электроны и атомы могут находиться в двух разных местах одновременно, а столы, стулья, люди и кошки — нет», — говорит Анджело Басси, физик из Университета Триеста, Италия. Эти теории, известные как «модели коллапса», постулируют, что волновые функции отдельных частиц реальны, но могут спонтанно терять свои квантовые свойства и привязывать частицу, скажем, к одному месту. Модели устроены так, что шансы на это бесконечно малы для одной частицы, так что квантовые эффекты доминируют в атомном масштабе. Но вероятность коллапса астрономически возрастает по мере того, как частицы слипаются друг с другом, так что макроскопические объекты теряют свои квантовые свойства и ведут себя классически.
Один из способов проверить эту идею — искать квантовое поведение во все больших и больших объектах. Если стандартная квантовая теория верна, предела нет. И физики уже провели двухщелевые интерференционные эксперименты с большими молекулами 12 . Но если модели коллапса верны, то квантовые эффекты не будут проявляться выше определенной массы. Различные группы планируют искать такую отсечку, используя холодные атомы, молекулы, металлические кластеры и наночастицы. Они надеются увидеть результаты в течение десятилетия. «Что хорошо во всех этих видах экспериментов, так это то, что мы будем подвергать квантовую теорию высокоточным проверкам, которые никогда раньше не проверялись», — говорит Марони.
Параллельные миры
Одна модель волновой функции как реальности уже известна и любима писателями-фантастами: многомировая интерпретация, разработанная в 1950-х годах Хью Эвереттом, который тогда был аспирантом Принстонского университета в Нью-Джерси.
В картине многих миров волновая функция настолько глубоко управляет эволюцией реальности, что всякий раз, когда производится квантовое измерение, Вселенная расщепляется на параллельные копии. Другими словами, откройте кошачий ящик, и разветвятся два параллельных мира — один с живым котом, а другой с трупом.
Отличить многомировую интерпретацию Эверетта от стандартной квантовой теории сложно, потому что обе делают абсолютно одинаковые предсказания. Но в прошлом году Говард Уайзман из Университета Гриффита в Брисбене и его коллеги предложили проверяемую модель мультивселенной 13 . Их структура не содержит волновой функции: частицы подчиняются классическим правилам, таким как законы движения Ньютона. Странные эффекты, наблюдаемые в квантовых экспериментах, возникают из-за того, что между частицами и их клонами в параллельных вселенных существует сила отталкивания. «Отталкивающая сила между ними создает рябь, которая распространяется по всем этим параллельным мирам», — говорит Уайзман.
Используя компьютерное моделирование с 41 взаимодействующим миром, они показали, что эта модель примерно воспроизводит ряд квантовых эффектов, включая траектории частиц в двухщелевом эксперименте 13 . Интерференционная картина становится ближе к предсказанной стандартной квантовой теорией по мере увеличения числа миров. Поскольку теория предсказывает разные результаты в зависимости от количества вселенных, говорит Уайзман, должна быть возможность разработать способы проверки правильности его модели мультивселенной — это означает, что волновой функции нет, а реальность полностью классическая.
Поскольку модели Уайзмана не нужна волновая функция, она останется жизнеспособной, даже если будущие эксперименты исключат модели невежества. Также выживут модели, такие как копенгагенская интерпретация, которые утверждают, что объективной реальности не существует — есть только измерения.
Но тогда, говорит Уайт, это самая сложная задача. Хотя никто еще не знает, как это сделать, говорит он, «было бы действительно интересно разработать тест на то, существует ли вообще какая-либо объективная реальность».