Странный мир квантовой физики и понятие спин.
На данный момент, мы должны предупредить вас, что в дальнейшем описании будет представлены некоторые очень странные и феноменальные для обычного понимания явления физики.
Физика может быть разделена на две категории, называемые «классическая физика» и «квантовая физика». Классическая физика описывает поведение и процессы обычных повседневных предметов, то что вы видите вокруг себя. Для примера, классическая физика может легко объяснить, как мяч отскакивает от пола.
Другой, раздел физики который описывает поведение мелких частиц, называют «квантовая физика». Когда мы говорим мелкие частицы, мы имеем в виду вещи крайне мелкие такие, как атомы, электроны, протоны. И на этом уровне, правила классической физики, которые мы привыкли понимать и наблюдать вокруг себя, абсолютно отказываются работать. Вместо этого, чрезвычайно малые частицы, такие как атомы подчиняются очень странным, в нашем понимании, правилам квантовой физики.
Давайте рассмотрим наглядный пример того, какие странные вещи происходят в мире квантовой физики. Это небольшой пример никак непосредственно не связан с пониманием, как работает МРТ. Мы рассмотрим это только для того, чтобы объяснить, как странно, в обычном понимании, квантовая физика может описывать поведение мелких частиц. Таким образом, когда мы будем применять понятия квантовой физики, связанные с работой МРТ, вы не будете слишком удивлены тем, насколько странно все это может происходить.
Представьте себе, что у нас есть стена с двумя щелями, как показано ниже.
Начнем с классической физики (т.е. «повседневной» физики с которой вы уже знакомы). Мы рассмотрим мяч, и допустим мяч падает к щели «А» показано ниже.
Как и следовало ожидать, мяч проходит через щель ‘А’.
И, конечно же, мяч оказывается на другой стороне, как раз под щелью ‘А’.
Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы повторим этот эксперимент в мире квантовой физики.
Для этого эксперимента мы будем использовать ‘мяч’, который является чрезвычайно крошечным (например электрон) и использовать такие же крошечные щели. Поскольку частицы выбраны крайне маленькие, этот эксперимент будет следовать законам квантовой физики, а не законам классической физики.
Как и прежде, мы рассматриваем ‘падение’ частицы.
Удивительно, но в данном случае, одна частица, проходит через щель А и одновременно и через щель В. Мы не имею в виду, что она распадается на две половины, которые соединиться в дальнейшем. Это на самом деле означает, что полноценная одиночная частица, проходит через обе щели одновременно!
Вы можете сказать, что это невозможно. Это действительно невозможно пронять с точки зрения классической физики, однако с точки зрения квантовой физики, именно так ведут себя очень маленькие частицы. Ученые физики провели эксперименты, и доказали, что такие странные вещи на самом деле действительно происходят.
Единственная причина, почему мы упомянули этот пример квантовой физики, это чтобы показать вам, что квантовая физика достаточно странная для обыденного понимания.
И в нашем случае Магнитно Резонансные Томографы имеют дело с очень крошечными частицами (то есть ядра водорода), и поэтому мы будем следовать правилам квантовой физики. Трудно представить процессы квантовой физики, потому что, как правило, нет ничего в нашей повседневной жизни, что ведет себя так же, как крошечные частицы.
Теперь давайте вернемся к обсуждению магнитно резонансного томографа. Вы помните, мы определили, что МР томограф может «видеть» только ядра водорода, которые содержатся в молекулах воды.
Ядра водорода подчиняются законам квантовой физики и им присуще свойство, называемое «спин». Давайте представим «спин» ядра водорода, например вот так.
К сожалению, как уже упоминалось выше, в квантовой физике достаточно странных вещей. С точки зрения квантовой физики, понятие «спин» не означает вращение вокруг. Это гораздо более сложное свойство, которое трудно представить, так же как и многие другие вещи в квантовой физике, таким образом нам лучше принять определенные вещи, вместо того, чтобы ломать голову и пытаться представить это.
И поэтому мы принимаем, что, в соответствии с законами квантовой физики, ядра водорода имеют свойство, называемое спин, который может быть, ориентирован определенным образом.
С квантовой физикой немного разобрались и теперь рассмотрим каким образом происходит идентификация атомов водорода.
Наука без правил: квантовая физика
28 августа 2020
Машины и Механизмы
Иллюстрация: Agsandrew, keithandbarbarasporch.files.wordpress.com
Фото: Машины и МеханизмыМашины и Механизмы
Часть 1. Первые сомнения
Видео дня
В физике конца XIX века царило оптимистичное настроение – весь мир активно развивался благодаря научным достижениям, и казалось, что технический прогресс будет бесконечно приносить новые блага. Тогда вся физика, как еще совсем недавно Земля, держалась на трех китах – трех законах Ньютона. Они составляют основу классической механики, благодаря им мы можем описывать движение тел под воздействием сил: и падение яблока со стола, и перемещение машины по дороге.
К трем китам позже добавились уравнения Максвелла – такая же основа, но уже в электродинамике. Именно им мы обязаны многим, уже базовым технологиям вроде электричества, так как с их помощью описываются практически все магнитные и электрические явления. В конце XIX века ученым казалось, что осталось совсем немного, и скоро все тайны физики наконец будут ими раскрыты.
Но в то же время из абсолютно разных областей физики начали появляться экспериментальные данные, которые ньютоновская механика объяснить не могла. Эти данные шли от явлений абсолютно разных масштабов – от света огромных звезд и от мельчайших молекул и атомов. Ученые начали сомневаться и задумываться: а почему так? Пожалуй, именно появление таких сомнений и можно считать зарождением квантовой физики. Ее историю принято связывать с открытиями Макса Планка в 1900 году, но на самом деле шагнуть в прошлое стоит еще дальше – в Швецию 1888-го года. Тогда в городе Лунде физик Йоханнес Ридберг вывел свою самую знаменитую формулу.
Она описывала длины волн в спектрах излучения атомов. Попробуем разобраться. С точки зрения физики мы окружены электромагнитными волнами – это и видимый свет, и радиоволны, и рентгеновское излучение. Чтобы их описывать, физики используют несколько характеристик, и одна из них – длина волны.
Если частицу вещества нагреть, чтобы она стала Если частицу вещества нагреть, чтобы она стала светиться, то получится набор отдельных узких полосок светиться, то получится набор отдельных узких полосок определенного цвета – спектр. У каждого вещества он свой, определенного цвета – спектр. У каждого вещества он свой, неповторимый. resh.edu.ru
Получается, все звезды, включая Солнце, постоянно излучают электромагнитные волны, часть из которых мы можем легко увидеть. Еще в середине XIX века ученые заметили, что каждый химический элемент имеет свой спектр излучения – в упрощенном варианте это можно представить как разные цвета какого-либо элемента при нагреве. При этом важной деталью было то, что каждый атом испускал волны только с определенной длиной.
И именно Йоханнес Ридберг предложил формулу, которая смогла описать эту зависимость и даже предсказать новые линии в спектрах некоторых элементов. Это на первый взгляд незначительное открытие по сей день приносит свои плоды в космологии – ведь в звездах происходят разные реакции, а сами они состоят из определенных химических элементов. С помощью формулы Ридберга ученые могут точнее определять состав звезд и понимать происходящие в них процессы. Но самое главное, что именно формула Ридберга в свое время послужила доказательством модели атома Нильса Бора. Но об этом – чуть позже.
Йоханнес Ридберг
Часть 2. Все было хорошо, пока не пришел Планк
1900 год ознаменовался формулой Планка. Для физики того времени это было спасательным кругом – во-первых, формула Планка разрешила мучительный парадокс, известный как ультрафиолетовая катастрофа, а во-вторых, она показала, что классической физики недостаточно для описания многих процессов (подробнее об этом читайте здесь). Макс Планк попал в несколько неудобное положение.
С одной стороны, при помощи своей формулы он смог разрешить парадокс, а с другой – предположил что-то полностью противоречащее классической физике. Он заявил, что энергия электромагнитного излучения переносится в виде маленьких частей, или квантов. С этой революционной гипотезы и началась вся современная квантовая механика.
Макс Планк famousscientists.org
Идеи Планка о квантах развил и расширил Альберт Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал работу, объясняющую явление фотоэффекта – испускание телом электронов при падении на него фотонов. Самый простой пример применения фотоэффекта – это солнечные батареи. Одним из ключевых предположений Эйнштейна для квантовой механики и было существование световых квантов – фотонов. При этом Эйнштейн отметил, что описание света в виде отдельных частиц прекрасно подходит для описания фотоэффекта, но описание света в виде волн в классической оптике прекрасно подходит для описания всех оптических явлений. Таким образом, он предвосхитил следующий этап в развитии физики – корпускулярно-волновой дуализм, когда свет (и не только) рассматривается одновременно как волна и как частица.
Альберт Эйнштейн famousscienfamousscientists.org
Фотоэлектрический эффект в твердом теле: ультрафиолетовый свет выбрасывает свет электроны из кристалла Иллюстрация: Ponor ru.wikipedia.org
Часть 3. Счастливый финал
Параллельно с описанием природы света ученые бились над устройством атома. Это сейчас о нем можно узнать на уроке физики в школе, а в начале XX века десятки ученых пытались изучить эту крохотную частицу. К тому времени уже точно было понятно, что атом не имеет заряда и в нем содержатся отрицательно заряженные частицы – электроны. Первым свое видение предложил англичанин Джозеф Джон Томсон в 1904 году – он предположил, что атом представляет из себя некое облако с положительным зарядом, в котором плавают электроны с отрицательным зарядом. Такую модель можно представить как кекс с изюмом – изюм играет роль электронов, а сам кекс – роль положительно заряженного облака.
Джозеф Джон Томсон и его модель атома 1904 года. famousscientists.org
Такая «вкусная» модель строения атома не прошла проверку временем – уже в 1911 году Эрнест Резерфорд доказал, что у атома в центре должно быть положительно заряженное ядро, и предложил свою модель атома – планетарную.
В ней электроны вращались вокруг положительно заряженного ядра, как вращаются планеты вокруг звезды. Однако и эта модель имела свои недостатки – согласно классической физике, электроны в таком атоме должны были практически мгновенно падать на ядро, при этом было очевидно, что это не происходит. Дело в том, что при вращении электрона вокруг ядра он испытывает ускорение, а согласно законам электродинамики в таком случае он должен терять энергию за счет излучения электромагнитных волн. Но при потере энергии электрон упадет на ядро, что сделает атом нестабильным, и «выведет его из строя» – тогда мира просто бы не существовало.
Эрнест Резерфорд и его модель атома 1911 года. famousscientists.org
Спустя всего лишь два года Нильс Бор предложил свою модель атома, ближе всех оказавшись к истине. В качестве основы он взял модель Резерфорда, но добавил в нее стационарные орбиты. Так, электрон мог вращаться только по этим орбитам и переходить с одной на другую с излучением или поглощением энергии.
Таким образом электрон больше не падал на ядро. Более того, переходы электронов с одной орбиты на другую сопровождались испусканием квантов, что прекрасно объясняло линии в спектрах химических элементов и давало еще одно подтверждение формуле Ридберга, с которой мы и начали рассказ о квантовой механике. Как итог – квантовая механика окончательно вошла в научный мир, а классической физике пришлось подвинуться. Важно понимать, что все эти открытия происходили в разных странах, в разные временные периоды и довольно сумбурно. Но в итоге вылились в то, о чем сейчас говорит весь научный мир.
Нильс Бор, famousscientists.org Согласно модели атома Бора электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучении фотона
Часть 4. Продолжение следует
На этом полная перипетий история квантовой физики не закончилась, как и не закончится она еще довольно долго. Вместо точки пришлось поставить запятую, когда Эрвин Шредингер в 1925 году открыл свое уравнение, а через три года его модифицировал Поль Дирак.
По важности эти уравнения можно сопоставить с уравнениями Максвелла в электродинамике или с уравнениями Ньютона в классической механике. Именно этот период и сделал квантовую механику общепризнанной частью физики и, более того, показал, что классическая механика является лишь частным случаем квантовой.
Так что же описывает уравнение Шредингера? Говоря простыми словами – изменение состояния квантовой системы, которое задается в этом уравнении волновой функцией. А квантовое состояние – это набор значений, который однозначно описывает квантовую систему. Например, если взять в качестве системы движущуюся машину (которая, конечно, не является квантовой системой), то ее состояние можно описать координатами в пространстве, скоростью и ускорением. Для квантовых систем состояние будет характеризоваться другими величинами, но суть останется той же. Более того, в случае квантовых систем волновая функция (а точнее, ее квадрат) из уравнения Шредингера описывает даже не состояния системы, а вероятность системы находиться в одном из этих состояний – то есть система находится не в одном состоянии, а как бы сразу во всех одновременно (в физике это называется суперпозицией состояний).
На примере автомобиля это можно представить как нахождение его на всей длине трассы одновременно. Однако уравнение Шредингера не может описывать состояния для частиц со спином и для частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Тут на помощь приходит уравнение Дирака, в итоге и ставшее основным уравнением квантовой механики – оно позволяет учесть все эти эффекты и описывать квантовые состояния в более сложных системах.
Эрвин Шредингер в 1925 году открыл свое уравнение. Оно описывает изменение состояния квантовой системы, которое задается квантовой системы, которое задается в этом уравнении волновой функцией. И его модель атома
Таким образом, к концу 20-х годов XX века физики, наконец, получили практически все основные формулы для создания новой области науки – квантовой механики. Финалом всех этих исследований стала Копенгагенская интерпретация – общее объяснение и толкование всех ранее описанных явлений и формул. Ее необходимость была очевидна, потому что квантовая механика содержала огромное количество парадоксов и явлений, трудных для понимания.
Копенгагенская интерпретация собрала в себе общие постулаты квантовой механики и способы их толкования. Например, особенность квантовых состояний, которые находятся одновременно в суперпозиции всех состояний, но при измерении показывают только одно, трактуется следующим образом: при измерении состояния квантовой системы происходит редуцирование волновой функции, и система оказывается в одном состоянии, а не во всех сразу. Таким образом, измерение объекта приводит к изменению его состояния – результат, невообразимый в классической физике. Но, несмотря на все проблемы такого толкования, Копенгагенская интерпретация остается одной из ведущих теорий в квантовой механике, наряду с более новой Многомировой интерпретацией.
Создание квантовой физики стало переломным моментом. Она показала, как небольшие несостыковки и парадоксы в классической физике, которые поначалу замечали немногие, привели к появлению нового раздела в физике. С другой стороны, она объединила ученых практически из всех стран, и каждый из них внес значительную часть в итоговую модель квантовой физики.
Это и шведский ученый Ридберг, и английские физики Томсон и Дирак, и немецкие ученые Эйнштейн и Планк, и французский ученый де Бройль, и датский физик Бор, и японец Хантаро Нагаока, и наши соотечественники Иоффе и Лебедев. Может показаться, что эти люди работали над своими трудами отдельно, каждый над чем-то своим, но это далеко не так. Практически все они общались и переписывались, делились своими идеями и наблюдениями, обсуждали различные гипотезы. Пожалуй, такую организацию науки и можно назвать одним из главных достижений квантовой физики – когда ученые работают сообща и за счет этого достигают невиданных ранее результатов, которые помогли совершить небывалый скачок в технологиях в середине XX века.
Технологии,Нильс Бор,Макс Планк,Джозеф Томсон,Альберт Эйнштейн,
2013 : ЧТО *ДОЛЖНО* МЫ БЕСПОКОИТЬСЯ?
Меня беспокоит, что мы на самом деле не понимаем квантовые явления. У нас есть успешная теория — квантовая механика, которая прошла все экспериментальные проверки с момента ее формулирования в 1926 году и является основой для нашего понимания всей физики, кроме гравитации.
Это основа новых технологий квантовой информации и вычислений, которые в настоящее время интенсивно развиваются. Тем не менее я не верю, что квантовая механика дает полное описание природы. Я твердо верю, что существует другое, более верное описание, ожидающее своего открытия.
Основная причина в том, что квантовая механика дает только вероятностные предсказания результатов экспериментов. Атомы и молекулы находятся в дискретных состояниях с разными энергиями. Эти различные состояния являются основой для нашего понимания химии. Когда атом или молекула переходит между этими состояниями, они испускают или поглощают фотоны, компенсируя скачок энергии. Квантовая механика обеспечивает вероятность возникновения этих различных переходов. Эти вероятности можно сравнить с показателями, измеренными в ходе экспериментов, проводимых на многих системах одновременно.
Но рассмотрим конкретный отдельный атом, который в определенный момент распадается из одного возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией.
Квантовая механика не дает точного предсказания того, когда наступит это мгновение, и не дает никаких оснований для объяснения того, почему это происходит именно в это время. Я считаю, что должна быть причина, по которой происходит каждое отдельное событие, и что, если бы мы поняли ее, мы могли бы создать теорию, которая в принципе предсказывала бы, когда происходит переход каждого атома. Другими словами, мне нужна теория квантовых явлений, выходящая за рамки квантовой механики.
Люди, которые первоначально сформулировали квантовую механику, не утверждали, что она дает полное описание физической реальности. Бор, Гейзенберг и их последователи объяснили, что в природе существует два вида процессов — обычные процессы и процессы измерения. Чтобы различать их, они разделили мир на две части. По одну сторону водораздела находится квантовая система, которую мы хотим описать. С другой стороны — наш мир, населенный людьми, измерительными приборами и часами. Они должны быть описаны старомодной ньютоновской физикой.
Процесс измерения происходит, когда два мира взаимодействуют, и вероятности описывают результаты этих взаимодействий. Они утверждали, что квантовая механика не дает описания или объяснения того, что происходит в чисто квантовом мире. Это инструмент для обсуждения вероятностей различных результатов вмешательств, которые мы осуществляем в квантовой системе.
Но, несомненно, мы и наши измерительные системы сделаны из атомов и поэтому являемся частью квантового мира. В таком случае, разве нельзя отнести все к квантовой стороне деления и относиться к себе и нашим инструментам как к квантовым системам? Когда мы пытаемся сделать это, мы не получаем отчета об экспериментах, дающих определенные результаты, и никаких предсказаний вероятностей этих результатов. Разобраться в этом называется проблемой измерения, и о ней спорят уже восемь десятилетий.
Одним из ответов является интерпретация многих миров, которая утверждает, что реальность намного больше, чем мир, который мы наблюдаем, и содержит бесконечное количество историй, по одной для каждой последовательности исходов, вероятность которых предсказывает квантовая механика.
Мир, который мы переживаем, является лишь одной из этих историй.
Я не верю в это огромное расширение реальности. Я считаю, что существует только один реальный мир, в котором есть определенные результаты экспериментов, в котором реализуется только одна история из возможного.
Многие другие решения были предложены для объяснения того факта, что квантовая механика не дает объяснения отдельным явлениям. Возможно, логику можно было бы изменить так, чтобы стало невозможно выражать наше недоумение. Возможно, квантовая механика описывает не природу, а только информацию, которую наблюдатель может собрать о физической системе, проводя эксперименты.
Но есть и другая возможность: квантовая механика не дает объяснения тому, что происходит в отдельных явлениях, потому что она неполна, потому что она просто не учитывает аспекты природы, необходимые для истинного описания. Это то, во что верил Эйнштейн, а также то, во что верили де Бройль и Шредингер, сделавшие ключевые шаги в формулировании теории.
Это то, во что я верю, и всю жизнь я беспокоился о том, как открыть эту более полную теорию.
Завершение квантовой механики, позволяющее дать полное описание отдельных явлений, называется теорией скрытых переменных. Было изобретено несколько; один из них, который широко изучался, был изобретен де Бройлем в 1928 году и заново изобретен Дэвидом Бомом в 1950-х годах. Это показывает, что это возможно, теперь нам нужно найти правильную теорию. Лучший способ сделать это — открыть теорию, которая согласуется со всеми прошлыми тестами квантовой механики, но расходится с результатами экспериментов с большими и сложными квантовыми устройствами, которые сейчас разрабатываются.
Мы знаем, что такая теория должна быть радикально нелокальной в том смысле, что когда две частицы взаимодействуют и разделяются, их свойства переплетаются, даже если они путешествуют далеко друг от друга. Это означает, что информация о точных результатах экспериментов, которым они могут подвергаться, должна быть способна распространяться со скоростью, превышающей скорость света.
Это означает, что полная теория квантовых явлений должна содержать теорию пространства и времени. В результате я долгое время считал, что задача завершения квантовой механики и задача объединения квантовой механики с пространством-временем — одна и та же проблема. Я также вижу проблему расширения нашего понимания физики в космологическом масштабе так же, как открытие мира, лежащего в основе квантовой механики.
Многие физики принимают квантовую механику как окончательную теорию и пытаются решить открытые проблемы физики и космологии, такие как объединение и квантовая гравитация, в рамках существующей квантовой физики. Я беспокоюсь, что это неправильно и не может быть успешным, потому что сама квантовая механика должна быть радикально углублена и дополнена, чтобы добиться дальнейшего прогресса в нашем понимании природы.
Жизнь в квантовом мире
Согласно стандартным учебникам по физике, квантовая механика — это теория микроскопического мира. Она описывает частицы, атомы и молекулы, но уступает место обычной классической физике в макроскопических масштабах груш, людей и планет.
Где-то между молекулами и грушами лежит граница, где заканчивается странность квантового поведения и начинается знакомство с классической физикой. Впечатление, что квантовая механика ограничена микромиром, пронизывает общественное понимание науки. Например, физик из Колумбийского университета Брайан Грин пишет на первой странице своей чрезвычайно успешной (и в остальном превосходной) книги «Элегантная Вселенная», что квантовая механика «обеспечивает теоретическую основу для понимания Вселенной в самых малых масштабах». Классическая физика, которая включает в себя любую теорию, кроме квантовой, включая теории относительности Альберта Эйнштейна, имеет дело с самыми большими масштабами.
Однако это удобное разделение мира — миф. Немногие современные физики считают, что классическая физика имеет такой же статус, как и квантовая механика; это всего лишь полезная аппроксимация мира, квантового во всех масштабах. Хотя квантовые эффекты труднее увидеть в макромире, причина не в размере как таковом, а в том, как квантовые системы взаимодействуют друг с другом.
До последнего десятилетия экспериментаторы не подтверждали, что квантовое поведение сохраняется в макроскопическом масштабе. Однако сегодня они регулярно это делают. Эти эффекты более распространены, чем кто-либо когда-либо подозревал. Они могут действовать в клетках нашего тела.
Даже те из нас, кто занимается изучением этих эффектов, еще не усвоили то, что они говорят нам о работе природы. Квантовое поведение ускользает от визуализации и здравого смысла. Это заставляет нас переосмыслить то, как мы смотрим на Вселенную, и принять новую и незнакомую картину нашего мира.
Запутанная история
Для квантового физика классическая физика — это черно-белое изображение разноцветного мира. Наши классические категории не могут охватить этот мир во всем его богатстве. В старом представлении учебника насыщенные оттенки размываются с увеличением размера. Отдельные частицы являются квантовыми; в массе они классические. Но первые признаки того, что размер не является определяющим фактором, восходят к одному из самых известных мысленных экспериментов в физике — коту Шредингера.
Эрвин Шредингер придумал свой болезненный сценарий в 1935 году, чтобы проиллюстрировать, как микромир и макромир соединяются друг с другом, предотвращая проведение между ними произвольных линий. Квантовая механика говорит, что радиоактивный атом может и распасться, и не распасться одновременно. Если атом соединить с бутылкой кошачьего яда, так что кошка умрет, если атом распадется, тогда животное останется в том же квантовом подвешенном состоянии, что и атом. Странность одного заражает другого. Размер не имеет значения. Загадка заключалась в том, почему владельцы кошек видят своих питомцев только живыми или мертвыми.
С современной точки зрения мир выглядит классическим, потому что сложные взаимодействия объекта с его окружением скрывают квантовые эффекты от нашего взгляда. Информация о состоянии здоровья кошки, например, быстро просачивается в окружающую среду в виде фотонов и теплообмена. Отличительные квантовые явления включают в себя комбинации различных классических состояний (например, мертвых и живых), и эти комбинации имеют тенденцию рассеиваться.
Более крупные объекты, как правило, более подвержены декогеренции, чем более мелкие, что объясняет, почему физикам обычно удается рассматривать квантовую механику как теорию микромира. Но во многих случаях утечку информации можно замедлить или остановить, и тогда квантовый мир открывается нам во всей красе. Квинтэссенцией квантового эффекта является запутанность, термин, который Шредингер ввел в той же статье 1935 года, которая представила миру его кота. Запутанность связывает отдельные частицы в неделимое целое. Классическая система всегда делима, по крайней мере в принципе; какие бы коллективные свойства он ни имел, они возникают из компонентов, которые сами обладают определенными свойствами. Но запутанную систему нельзя разрушить таким образом. Запутанность имеет странные последствия.
Обычно физики говорят о запутанности пар элементарных частиц, таких как электроны. Такие частицы можно грубо представить себе как маленькие волчки, которые вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки, их оси указывают в любом заданном направлении: горизонтально, вертикально, под углом 45 градусов и так далее. Чтобы измерить вращение частицы, вы должны выбрать направление, а затем посмотреть, вращается ли частица в этом направлении.
Предположим, ради аргумента, что электроны ведут себя классически. Вы можете заставить один электрон вращаться в горизонтальном направлении по часовой стрелке, а другой — в горизонтальном направлении против часовой стрелки; таким образом, их общее вращение равно нулю. Их оси остаются фиксированными в пространстве, и когда вы проводите измерение, результат зависит от того, совпадает ли выбранное вами направление с осью частицы.
Однако для квантовых электронов ситуация поразительно иная. Вы можете настроить частицы так, чтобы их общий спин был равен нулю, даже если вы не указали, каковы их индивидуальные спины. Когда вы измерите одну из частиц, вы увидите, как она вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки случайным образом. Как будто частица сама решает, в какую сторону ей повернуться. Тем не менее, независимо от того, какое направление вы выберете для измерения электронов, при условии, что оно одинаково для обоих, они всегда будут вращаться в противоположных направлениях, один по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки. Откуда они это знают? Это остается совершенно загадочным. Более того, если вы измерите одну частицу по горизонтали, а другую по вертикали, вы все равно обнаружите некоторый спин для каждой; оказывается, что частицы не имеют фиксированных осей вращения.
Действовать как единое целое
В большинстве демонстраций запутанности задействовано не более нескольких частиц. Большие партии труднее изолировать от окружающей среды. Частицы в них с большей вероятностью запутаются с бродячими частицами, скрывая их первоначальные взаимосвязи. В соответствии с языком декогеренции в окружающую среду просачивается слишком много информации, заставляя систему вести себя классически. Сложность сохранения запутанности является серьезной проблемой для тех из нас, кто стремится использовать эти новые эффекты для практического применения, например, в квантовых компьютерах.
Аккуратный эксперимент, проведенный в 2003 году, показал, что более крупные системы тоже могут оставаться запутанными, когда утечка уменьшается или каким-то образом противодействует. Габриэль Эппли из Университетского колледжа Лондона и его коллеги взяли кусок соли фтористого лития и поместили его во внешнее магнитное поле.
Вы можете думать об атомах в соли как о маленьких вращающихся магнитах, которые пытаются выровняться с внешним полем, реакция, известная как магнитная восприимчивость. Силы, которые атомы воздействуют друг на друга, действуют как своего рода давление сверстников, чтобы привести их в соответствие быстрее. Когда исследователи меняли силу магнитного поля, они измеряли, насколько быстро атомы выравнивались. Они обнаружили, что атомы реагировали гораздо быстрее, чем можно было бы предположить по силе их взаимодействий. Очевидно, что какой-то дополнительный эффект помогал атомам действовать в унисон, и исследователи утверждали, что виновником была запутанность. Если это так, то 1020 атомов соли образуют сильно запутанное состояние.
Чтобы избежать искажающих эффектов случайных движений, связанных с тепловой энергией, команда Эппли проводила свои эксперименты при чрезвычайно низких температурах — несколько милликельвинов. Однако с тех пор Александр Мартинс де Соуза из Бразильского центра физических исследований в Рио-де-Жанейро и его коллеги обнаружили макроскопическую запутанность в таких материалах, как карбоксилат меди, при комнатной температуре и выше.
Эти системы аналогичны коту Шредингера. Рассмотрим атом или ион. Его электроны могут находиться близко к ядру или дальше — или и то, и другое одновременно. Такой электрон действует подобно радиоактивному атому, который либо распался, либо не распался в мысленном эксперименте Шредингера. Независимо от того, что делает электрон, весь атом может двигаться, скажем, влево или вправо. Это движение играет роль мертвого или живого кота. Используя лазеры для управления атомом, физики могут объединить эти два свойства.
Если электрон находится близко к ядру, мы можем заставить атом двигаться влево, тогда как если электрон находится дальше, атом движется вправо. Таким образом, состояние электрона связано с движением атома точно так же, как радиоактивный распад связан с состоянием кошки. Живое и мертвое животное из семейства кошачьих подражает атому, который движется и влево, и вправо.
Другие эксперименты расширяют эту основную идею, так что огромное количество атомов запутываются и входят в состояния, которые классическая физика считает невозможными. И если твердые тела могут быть запутаны, даже если они большие и теплые, достаточно лишь небольшого скачка воображения, чтобы спросить, может ли то же самое быть верно для очень особого вида большой теплой системы: жизни.
Птицы Шредингера
Европейские малиновки — хитрые маленькие птички. Каждый год они мигрируют из Скандинавии на теплые равнины экваториальной Африки и возвращаются весной, когда погода на севере становится более терпимой.
Малиновки преодолевают этот кругосветный путь протяженностью около 13 000 километров с естественной легкостью.
Люди давно задавались вопросом, могут ли птицы и другие животные иметь встроенный компас. В 1970-х годах муж и жена Вольфганга и Розвиты Вильчко из Франкфуртского университета в Германии отловили малиновок, мигрировавших в Африку, и поместили их в искусственные магнитные поля. Как ни странно, они обнаружили, что малиновки не обращали внимания на изменение направления магнитного поля, что указывало на то, что они не могли отличить север от юга. Однако птицы реагировали на наклон магнитного поля Земли, то есть на угол, под которым силовые линии образуют поверхность. Это все, что им нужно для навигации. Интересно, что малиновки с завязанными глазами вообще не реагировали на магнитное поле, что указывает на то, что они каким-то образом ощущают поле глазами.
В 2000 году Торстен Ритц, физик из Университета Южной Флориды, страстно любивший перелетных птиц, и его коллеги предположили, что ключом является запутанность.
В их сценарии, основанном на предыдущей работе Клауса Шультена из Университета Иллинойса, у птичьего глаза есть тип молекулы, в которой два электрона образуют запутанную пару с нулевым общим спином. Такую ситуацию просто невозможно воспроизвести с помощью классической физики. Когда эта молекула поглощает видимый свет, электроны получают достаточно энергии, чтобы разделиться и стать восприимчивыми к внешним воздействиям, включая магнитное поле Земли. Если магнитное поле наклонено, оно по-разному воздействует на два электрона, создавая дисбаланс, который изменяет химическую реакцию, в которую вступает молекула. Химические пути в глазу переводят эту разницу в неврологические импульсы, в конечном итоге создавая образ магнитного поля в мозгу птицы.
Хотя доказательства механизма Ритца носят косвенный характер, Кристофер Т. Роджерс и Киминори Маеда из Оксфордского университета изучили молекулы, подобные молекулам Ритца, в лаборатории (а не внутри живых животных) и показали, что эти молекулы действительно чувствительны к магнитному излучению.
полей из-за запутанности электронов. Согласно расчетам, проведенным моими коллегами и мной, квантовые эффекты сохраняются с высоты птичьего полета около 100 микросекунд, что в данном контексте является долгим сроком. Рекорд для искусственно сконструированной электронно-спиновой системы составляет около 50 микросекунд. Мы пока не знаем, как естественная система может так долго сохранять квантовые эффекты, но ответ может дать нам идеи о том, как защитить квантовые компьютеры от декогеренции.
Другим биологическим процессом, в котором может действовать запутывание, является фотосинтез, процесс, посредством которого растения преобразуют солнечный свет в химическую энергию. Падающий свет выбрасывает электроны внутри растительных клеток, и все эти электроны должны найти свой путь в одно и то же место: в химический реакционный центр, где они могут передать свою энергию и запустить реакции, питающие растительные клетки. Классическая физика не может объяснить почти идеальную эффективность, с которой они это делают.
Эксперименты нескольких групп, таких как Грэм Р. Флеминг, Мохан Саровар и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли и Грегори Д. Скоулз из Университета Торонто, предполагают, что квантовая механика объясняет высокую эффективность процесса . В квантовом мире частице не нужно просто двигаться по одному пути за раз; он может принимать их все одновременно. Электромагнитные поля внутри растительных клеток могут привести к тому, что некоторые из этих путей нейтрализуют друг друга, а другие усиливают друг друга, тем самым уменьшая вероятность того, что электрон пойдет по расточительному обходному пути, и увеличивая вероятность того, что он будет направлен прямо к реакционному центру.
Запутывание будет длиться всего долю секунды и будет включать молекулы, содержащие не более 100 000 атомов. Существуют ли в природе случаи более крупного и устойчивого запутывания? Мы не знаем, но этот вопрос достаточно волнующий, чтобы стимулировать новую дисциплину: квантовую биологию.
Значение всего этого
Для Шредингера перспектива одновременно живых и мертвых кошек была абсурдной; любая теория, делающая такое предсказание, безусловно, ошибочна. Поколения физиков разделяли этот дискомфорт и думали, что квантовая механика перестанет применяться в еще большем масштабе. В 19Роджер Пенроуз из Оксфорда предположил, что гравитация может привести к тому, что квантовая механика уступит место классической физике для объектов массивнее 20 микрограммов, и трио итальянских физиков — Джанкарло Гирарди и Томазо Вебер из Университета Триеста и Альберто Римини из Университета Нью-Йорка. Павиа – предположил, что большое количество частиц спонтанно ведут себя классически. Но эксперименты теперь оставляют очень мало места для таких процессов. Разделение между квантовым и классическим миром не кажется принципиальным. Это всего лишь вопрос экспериментальной изобретательности, и мало кто из физиков сейчас думает, что классическая физика когда-либо действительно вернется в любом масштабе.
Во всяком случае, общее убеждение состоит в том, что если более глубокая теория когда-либо заменит квантовую физику, она покажет, что мир еще более нелогичен, чем все, что мы видели до сих пор.
Таким образом, тот факт, что квантовая механика применима во всех масштабах, заставляет нас столкнуться с глубочайшими тайнами теории. Мы не можем просто списать их со счетов как простые детали, которые имеют значение только в самых мелких масштабах. Например, пространство и время — два самых фундаментальных классических понятия, но согласно квантовой механике они вторичны. Запутывания являются первичными. Они соединяют между собой квантовые системы без привязки к пространству и времени. Если бы существовала разделительная линия между квантовым и классическим мирами, мы могли бы использовать пространство и время классического мира, чтобы обеспечить основу для описания квантовых процессов. Но без такой разделительной линии — да и без подлинно классического мира — мы теряем эту рамку. Мы должны объяснить пространство и время как некое порождение фундаментально внепространственной и вневременной физики.
Это понимание, в свою очередь, может помочь нам примирить квантовую физику с другим великим столпом физики — общей теорией относительности Эйнштейна, которая описывает силу гравитации в терминах геометрии пространства-времени. Общая теория относительности предполагает, что объекты имеют четко определенное положение и никогда не находятся более чем в одном месте одновременно, что прямо противоречит квантовой физике. Многие физики, такие как Стивен Хокинг из Кембриджского университета, считают, что теория относительности должна уступить место более глубокой теории, в которой пространство и время не существуют. Классическое пространство-время возникает из квантовых запутанностей в процессе декогеренции.
Еще более интересная возможность заключается в том, что гравитация — это не сила сама по себе, а остаточный шум, возникающий из-за квантовой нечеткости других сил во Вселенной. Эта идея «индуцированной гравитации» восходит к физику-ядерщику и советскому диссиденту Андрею Сахарову в 1960-х годах.