Квантовая механика
Материал из Lurkmore
 | ACHTUNG! Опасно для моска! Министерство здравоохранения Луркмора предупреждает: вдумчивое чтение нижеследующего текста способно нанести непоправимый ущерб рассудку. Вас предупреждали. |
 | Народ требует Народ требует иллюстраций к статье! В конце концов, если бы мы хотели почитать, мы бы пошли в библиотеку. |
|
Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит вы её не понимаете. |
| Ричард Фейнман |
|
Самое удивительное в том, насколько все это не имеет значения. Большинство физиков использует квантовую механику в повседневной работе, не заботясь о фундаментальных проблемах ее интерпретации. Будучи здравомыслящими людьми, имеющими очень мало времени на то, чтобы успевать следить за новыми идеями и данными в своей собственной области, они совершенно не тревожатся по поводу всех этих фундаментальных проблем. Недавно Филип Канделас (с физического факультета Техасского университета) ждал вместе со мной лифт, и разговор зашел о молодом теоретике, подававшем надежды на старших курсах и затем исчезнувшем из вида. Я спросил Фила, что помешало бывшему студенту продолжать исследования. Фил грустно покачал головой и сказал: «Он попытался понять квантовую механику». |
| Стивен Вайнберг, «Мечты об окончательной теории» |
Квантовая механика — область физики, рассматривающая поведение квантовых систем. Зародилась в начале XX века, по определению является крайней противоположностью общей теории относительности. Состоит из МАТАН, СРАЧ, РАЗРЫВ ШАБЛОНА и КОТ ШРЕДИНГЕРА.
Содержание |
[править] Предыстория
| « |
Был этот мир кромешной тьмой окутан; | » |
| — А. Поуп, Дж. Сквайр (перевод С. Маршака) | ||
[править] Истоки
Вы таки не поверите, но еще эдак тысячу лет до нашей эры, некоторые истинно арийские британские ученые фантазировали на означенную тему. Картина мира ненамного отличалась от современных представлений ещё тогда. Есть мнение, что, адекватную же картину мироздания утверждал некий Дон Хуан Матус в небезызвестной серии книг Карлоса Кастанеды. Но обратимся к истории:
[править] Чёрное тело — на выход!
Тем временем в Европе отшумело Возрождение и стала появляться собственно наука физика. Сначала разделались с механикой, рычагами, шестерёнками и небесными телами. Следующим пунктом взялись за молекулы, и к великой радости исследователей, чуть менее чем все тепловые процессы с молекулами оказались тупо механическими. Это был эпик, ЭПИК вин. Из энергии механического движения молекул с лёгкостью вытекали стимпанковские паровые двигатели, Бойли-Мариотты и циклы Карно. Это радостное состояние называлось классическая физика. Временами даже казалось, что так будет вечно и открыто уже всё.
Беда пришла откуда не ждали.
Казалось бы, зная столько всего интересного об энергии и молекулах, будет легко объяснить, почему хреновина, нагретая до 1000 градусов светится красным, а до 9000 — светло-голубым. Ан нет, на этом простейшем вопросе сломало себе мозг немало физиков XIX века. Таким образом, был обнаружен парадокс: при расчёте общей энергии электромагнитного излучения в замкнутой полости (абсолютно чёрное тело) и посыпалась вся их классическая физика. Расчёты нердов того времени показали, что если Система не врёт, то общая энергия излучения любого абсолютно чёрного тела должна быть бесконечно большой, что тут же им намекнуло, что не всё так просто. Формулу пытались вывести, угадать или подобрать (Релей-Джинс, Вин) но результаты не радовали — формулы хоть немного, но врали.
Первым торкнуло Макса Планка. В 1900 году он подогнал условия задачи под ответ и как бы предположил, что энергия электромагнитной волны может излучаться/поглощаться только целыми порциями, правда объяснить каким образом и почему это происходит он не озаботился.Своим открытием Планк эпично озалупил всех окружающих, включая и самого себя. У старика Максвелла никаких ступенек в теории не было, никто не понимал, почему энергия волн должна быть дискретной, за исключением того, что это работает. И проникновение в смысл постоянной Планка длилось многие десятилетия.
[править] Красная граница
Параллельно русский учёный Столетов изучал фотоэффект (если кратко — проводимость вакуума при облучении светом металлического электрода). Эффект объяснили довольно быстро — типа свет вырывает электрончики из металла. Однако Столетов обнаружил нечто странное. Как положено в классической физике, сила тока зависела от интенсивности облучения (амплитуды волны). НО! Столетов догадался поменять в схеме плюс на минус и обнаружил, что если понемногу увеличивать напряжение, то фото-ток прекратится не сразу, а на строго определенном значении. Причём главный фокус в том, что это напряжение зависит от длины волны излучения и материала электрода (и похуй на интенсивность света). А второе — если электрод облучали сильно красным и инфракрасным (длинноволновым) светом — фотоэффект не возникал вообще и опять же, плевать на интенсивность. Проделав это, Столетов слегка охуел, потому как согласно классической физике на частоту можно было положить, а рулила именно амплитуда-интенсивность — представим себе волны, которые размывают берег. Вдобавок, в классической физике, для раскачки и вытаскивания электрона под действием волны требовалось время, а тонкие опыты показали, что электроны выскакивают сразу.
Вопрос неприятно повис почти на 5 лет.
В 1905 торкнуло уже Эйнштейна и он нашел происходящему объяснение, за которое в 1921 получил свой Нобелевский гешефт — именно за это, а не за теорию относительности, как многие тут считают. Изучая фотоэффект, Эйнштейн решил распространить планковскую дискретную модель энергии волны на свет. Он предположил, что свет представляет собой поток микроскопических частиц (фотонов), причем энергия каждого фотона пропорциональна частоте света. В итоге Эйнштейн показал, что гипотеза Планка о дискретности энергии отражает фундаментальное свойство электромагнитных волн: они состоят из частиц — фотонов, которые представляют собой маленькие порции или кванты света.
И тут ВНЕЗАПНО всё стало еще хуже.
[править] Волносрач
| « |
Признак первосортных мозгов — это умение держать в голове две взаимоисключающие мысли одновременно, не теряя при этом способности мыслить | » |
| — Фр. С. Фицджеральд | ||
Рассматривать свет состоящим из потока частиц предложил еще Ньютон. Ему оппонировал голландский физик Христиан Гюйгенс, утверждавший, что свет — это волна. В начале XIX в. эксперименты английского физика Томаса Юнга показали, что Ньютон ошибался и свет — таки волна.
И тут появился Эйнштейн со своим фотоэффектом и фотонами-квантами. Физики (впрочем, как всегда при появлении Эйнштейна) возопили: «В рот мне ноги!». И были правы, ибо эксперименты действительно показывали, что происходит нечто странное. В самом шокирующем случае, который до сих пор приводит в трепет студентов-первокурсников, один набор инструментов показывает мир, сделанный из отдельных шариков-частиц, а те же инструменты, но расположенные по-другому, показывают мир, состоящий из энергетических волн. Любой человек, не страдающий терминальной стадией ФГМ, предположил бы, что на самом деле Х (чем бы он ни был) должен «быть» либо волной, либо частицей и не может «быть» и волной, и частицей, в зависимости от того, как мы «смотрим» на этот X. Некоторое время физики даже говорили, как бы в шутку, но в то же время с долей отчаяния, о «волночастицах».
В 1923 молодой французский аристократ, князь Луи де Бройль объединил две гипотезы, что принесло ему эту вашу Нобелевскую премию 1929 года. Таким образом, ВНЕЗАПНО выяснилось, что масса должна иметь и волновое воплощение, и, соответственно, окружающая нас материя это и волны, и частицы одновременно, а несогласные идут лесом. Учёные продолжали восклицать: «Что за хуйня?», но уже не вслух, а самые хитрые даже сделали вид, что всё поняли.
Пояснение от физик-куна. Волны и частицы суть лишь приближение и попытка математическими средствами понять окружающую нас реальность. Так что на самом деле все гораздо сложнее и никто не может и не сможет сказать толком что на самом деле нас окружает, кроме сами знаете кого. Чтобы не сломать мозг сразу, мой маленький мохнатый друг, можешь считать так:
- пока свет летит в пространстве, он ведет себя как волна — подвергается интерференции, дифракции, имеет поляризацию и т. д. Фотон-фотонного взаимодействия не существует, а теория Максвелла — линейна.
- а вот когда свет (и любое ЭМ излучение) взаимодействует с веществом, излучается или поглощается — его приходится считать потоком частиц и квантовые эффекты показывают свой звериный оскал. Простейший случай — рассеяние фотонов на электроничиках (Эффект Комптона).
[править] Собственно сабж
| « |
Известный физик П. Эренфест обучил своего цейлонского попугая произносить фразу: «Aber, meine Herren, das ist keine Physik». Этого попугая он предлагал в качестве председателя в дискуссиях о новой квантовой механике в Геттингене. | » |
| — Байка | ||
Другая проблема возникла в 1911 году, когда расовый британский учёный Резерфорд открыл, что атом почти пустой, а ни разу не булка с изюмом, как думали раньше. Атом состоит из мелкого ядра, на большом (относительно размера ядра) расстоянии от которого нещадно хуярят электроны (планетарная модель атома). Открытие было настолько диссонирующим, что Резерфорд молчал в тряпочку аж 2 года, произведя 9000 измерений, повторных измерений, проверок измерений и проверок проверок измерений. Дело в том, что согласно электродинамике, электрон на орбите обязан излучать, и как следствие — терять потенцию, постепенно падая на ядро. А это означает, что наш мир не имеет права на существование и уже вот прям щаз, через 10 наносекунд всем должен наступить лютый, яростный, негроебический, леденящий душу пиздец. Но тут пришел Нильс Бор и сказал, мол, давайте мы не будем выебываться, а предположим, что чего-то еще не знаем.
Для объяснения структуры атома Бор в 1913 году предположил существование стационарных состояний электрона, в которых электрон не излучает, а его энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1915—1924). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.
В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории, в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики новый матан.
[править] Сферический квантмех в вакууме
С уравнением Шрёдингера статья смотрится умнее, чем она есть. Парадоксально, но этот самый Шрёдингер запилил основы квантмеха чтобы доказать, что КМ — бред и так не бывает.
Начать надо с того что формулу запилил не Шредингер — она давно была запилена каким-то малоизвестным математиком, позже убившим себя ап стену в раздумьях: «Для чего же нужна эта хуйня?» Шредингера интересовал люто-бешено физичный «принцип наименьшего энергетического пути» — если шарик запустить по кривой и наклонной поверхности, путь его будет проходить по траектории с наименьшим действием (это интеграл от функции Лагранжа вдоль траектории). То же верно в отношении волны света, распространяющейся в неравномерной оптически среде. То же верно для электрического тока. Отто отметил, что формула описывает именно этот принцип для распространения волн. Первоначально порождённый сабж был поименован «волновой механикой» — в результате позднего скрещивания с КМ Бора и Планка родилось современное понятие «квантовой механики».
Надо отметить, что Бор, по-видимому, терпеть не мог Альбертушку (в научном смысле, естественно, ибо IRL они были закадычными корешами), выкупив самую суть поциэнта после того, как тот на одной из научных конференций зарядил: «Мне трудно представить что Бог в каждый момент думает куда должен полететь электрон» — вообще-то на научных конференциях как-бы не принято аргументировать свою позицию видениями. Эйнштейна после этого к квантам старались не подпускать… Но не удалось.
[править] Принцип неопределённости Гейзенберга
Принцип Гейзенберга вообще играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что у него фамилия такая достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира.
В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределённостью, подробнее тут). В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему (поскольку само измерение происходит тоже при помощи квантов, взаимодействующих с измеряемой частицей). Сам факт проведения измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению её скорости, причем непредсказуемому (и наоборот).
На самом деле, если удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределённость другой величины будет равняться бесконечности, и о ней не будет известно вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о её скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится.
Казалось бы, при чем тут батхёрт? Тем не менее, некоторые выводят из принципа неопределённости довольно любопытные теории (см. ниже).
[править] Двухщелевой опыт
| « |
…в теоретической физике нам удается объяснить то, что мы уже не можем себе представить | » |
| — Л.Д. Ландау | ||
Собственно из-за чего начался весь срач. При первых выводах Юнга, он было подумал, что фотон имеет свойства и волны и частицы одновременно! А оказалось, что он существует, как частица, а взаимодействует как волна. В классическом двухщелевом опыте свет проходит через две щели и падает на экран, где появляются тёмные и светлые интерференционные полосы. Это можно объяснить тем, что в некоторых местах световые волны взаимно усиливаются, а в других — гасятся. С другой стороны, эксперимент показывает, что свет обладает и свойствами потока частиц, а такие объекты, как электроны могут проявлять и волновые свойства и тоже могут давать интерференционную картину.
А что будет, если выпускать по одному фотону или электрону за раз? Капитан Очевидность, собиравшийся было объявить, что квант пролетит через одну из щелей, поперхнулся при проведении опыта и надолго впал в ступор. Потому что, как оказывается единый и неделимый квант (вот же ж пезда!) как бы пролетает через обе щели и интерферирует на экране сам с собою («…подобные опыты многократно повторялись, в том числе и с летящими „поштучно“ электронами.»). Сомневающиеся Анонимусы могут повтыкать тут.
«А что будет, если поставить детекторы частиц возле каждой из щелей и попробовать поймать куски кванта и его кости при его прохождении через обе щели?» — спросит пытливый Анонимус. В этом случае квант будет всегда пойман выходящим из одной из щелей, но никогда из обеих (что логично, если учесть, что квант неделим по определению). И да, интерференционная картина на экране при этом исчезает (заменяется на нормальное распределение).
Но и это еще не все (следите за руками)! Что будет, если установить только один детектор возле одной из щелей? А происходит то, что даже если квант не был пойман детектором (пролетел через другую щель), интерференция на экране все равно исчезает (то есть квант «узнал», что его меряют у другой щели и отказался интерферировать с запомоенной своей «частью», хитрожопо поведя себя как частица, а не как волна). В этом месте к нервно курящему в сторонке Капитану Очевидность присоединяются все остальные, включая учёных, тихо повторяя мантру: «ЧЗХ». К. О. делится с окружающими своим фирменным ганджубасом, после чего начинают все всё понимать. Но ненадолго.
ЧСХ, первый натурный опыт с интерференцией частицы с самой собой, был сделан именно на электронах, а не на фотонах. Сначала, в 1927 году в натуре обнаружили просто дифракцию электронов на кристалле, после чего и 20 лет не прошло, как в 1947 году товарищъ В. А. Фабрикантъ научился стрелять сигареты электроны строго по одному. Но всем было похуй, ибо и так ясно, что интерференция света наблюдается даже на не очень-то монохроматическом свете, где каждый фотон хоть чуть-чуть, но отличается от других по длине волны и фазе. Следовательно, интерференционные полосы есть результат взаимодействия фотонов с самими собой, а не с соседями.
А теперь реально, без колдунства и наркоманской мути. Чтобы зарегистрировать, через какую из щелей прошел тот или иной электрон, нам необходимо перед ними поставить измерительный прибор, который работает на чем? На тех же самых электромагнитных волнах. То есть чтобы зарегистрировать электрон в пространстве, нам нужно воздействовать на него. Воздействуя на него мы меняем его состояние. А раз меняется состояние, меняется и интерференционная картинка — она исчезает. Если же мы понижаем воздействие до минимума, мы тут же начинаем наблюдать интерференционную картинку, но уже не можем сказать, через какую из щелей прошел электрон. Такая вот дилемма. Подробнее читайте в одном из последних томов Фейнмана по физике, посвященном квантовой механике. В итоге никакого влияния наблюдения на эксперимент нет, и магии никакой тоже нет, а все до тупости просто: мы не можем измерить положение электрона не изменив его состояния. Но ВСЕМ ПОХУЙ.
[править] Вероятностный характер предсказаний и роль наблюдателя в природе
| « |
Можно доказать, что Луна не существует, когда на неё никто не смотрит | » |
| — Н. Дэвид Мермин | ||
Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определённое место, а следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределённых ситуаций.
В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой матрицы плотности, но в отличие от классической механики эта матрица определяет параметры её будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределённости результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего. Иными словами демон Лапласа был вынужден убить себя апстену.
Это в комбинации с принципом неопределённости Гейзенберга, а так же другими мозговыносящими теоретическими и экспериментальными данными заставило некоторых учёных положить на классическую физику МПХ, и уехать в горы пасти баранов и предположить, что у микрочастиц вообще нет никаких внутренних свойств и они появляются только в момент измерения. Те нерды, которых торкнуло на почве квантмеха особо сильно, предположили, что роль сознания экспериментатора для существования всей Вселенной является чуть более чем эпично важной, поскольку согласно квантовой теории, именно наблюдение создает или частично создает наблюдаемое.
[править] Квантовая нелокальность
| « |
Если квантовая механика вас не потрясла до глубины души, значит, вы её еще не поняли. | » |
| — Нильс Бор | ||
Свойство нелокальности квантовой теории вызывает существование корреляций между состояниями запутанных подсистем исходной системы, на каких бы расстояниях друг от друга они не находились. Поэтому появляется возможность мгновенного определения квантового состояния в одном месте на любом расстоянии путём измерения запутанного с ним состояния в другом месте и, соответственно, его передача с бесконечной скоростью — квантовая телепортация.
Хоть связанные кванты и коррелируют мгновенно, но передать полезную информацию таким волшебным образом всё-таки невозможно (фанаты научной фантастики плачут кровавыми слезами). На то, чтобы измерить квантовое состояние и сопоставить с измерениями другого связанного кванта, нужно потратить время и воспользоваться вполне обычными средствами связи. Тем не менее, сам факт того, что две частицы, разнесенные на сколь угодно большое расстояние способны, хоть и особым образом, но мгновенно влиять друг на друга, заставил некоторых ученых высрать не один вагон кирпичей.
В этом месте шаблон разорвался даже у Эйнштейна, и начался небезызвестный в научных кругах холивар.
[править] Квантосрач
| « |
Я как страус прячу голову в песок относительности, чтобы не глядеть в лицо гадким квантам. | » |
| — Альберт Эйнштейн | ||
[править] Эйнштейн vs квантовые механики
Итак, Эйнштейн недолго гордился тем, что вынес окружающим моск своей теорией относительности. Как известно, в своей мегатеории дедуган выпилил ньютоновскую классическую механику в пределах макромира, заменив её на нечто более точное, и вполне мог бы до пенсии называть всех окружающих пидарасами, но тут внезапно под него начали копать. Другие ботаны с не меньшим рвением приступили к напиливанию квантовой механики, что в итоге заставило браться за голову и восклицать: «Whatta hell?» уже самого Эйнштейна.
Когда родилась квантовая механика, то даже её создатель Макс Планк так и не принял в глубине души всей причудливости этой науки. Эйнштейн же попросту считал сабж абсурдной теорией, называл его «безумием». Кризис восприятия был так велик, потому что с появлением квантмеха под ногами физиков полностью пропала опора в виде наглядных схем и понятных интерпретаций. Физика чем дальше, тем больше становилась математикой, то есть формульной абстракцией, которую иногда даже невозможно проверить опытным путем, причем формулы порой выдавали попросту абсурдные решения.
Так родился самый настоящий квантосрач, в ходе которого именитые учёные виртуозно троллили друг друга в самых различных диапазонах толщины, а кто ни шиша не понимал в квантовой механике, попросту запасался попкорном.
На стороне Эйнштейна и Правды люто, бешено сражались такие физики, как Планк и Шрёдингер, а Главгадом от аццкого квантмеха со всем его блекджеком и шлюхами выступал Нильс Бор, а также Гейзенберг, Борн, Йордан и прочие жители страны эльфов учёные с расширенным сознанием.
Суть квантосрача состояла в том действительно ли миром правит принципиальная неопределённость или же мы просто не знаем некоторых свойств микрочастиц, которые (если бы их можно было измерить) позволяли бы стопроцентно предсказать поведение квантов в каждой конкретной ситуации.
Амплитуда бурления говн превышала все виданные доселе в науке пределы, а оппоненты попеременно направляли друг на друга высококогерентные лучи поноса, чем немало доставляли (самим фактом срача для окружающих, и, собственно, тонким троллингом для тех, кто был в теме).
[править] ЭПР-парадокс
Обнаружив, что его когерентные лучи поноса успешно аннигилируются встречными потоками Бора, Эйнштейн придумал (как ему тогда казалось) окончательное решение квантового вопроса.
В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой описал мысленный эксперимент, который впоследствии был назван парадоксом Эйнштейна—Подольского—Розена (ЭПР-парадокс).
Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, нет возможности измерить одновременно координату частицы и её импульс. Предполагая, что причиной неопределённости является то, что производя измерение одной величины, вносится принципиально неустранимые возмущения в её движение и искажение значения другой величины, можно предложить гипотетический способ, которым соотношение неопределённостей можно обойти.
Если взять две одинаковые частицы, образовавшиеся в результате распада третьей частицы, то в этом случае их импульсы должны быть связаны. Это даёт возможность измерить импульс одной частицы и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй, не внося в её движение никаких возмущений. Поэтому, измерив координату второй частицы, можно получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Исходя из этого можно заключить, что соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены.
Вброс оказался удачным, Бор завис, а холивар перешел в стадию латентной педерастии, когда все остаются при своем мнении, но не имеют веских аргументов. Над обоими лагерями оппонентов нависла зловещая Жопа, и только экспериментальная проверка могла показать, кто кого (и на чем) будет вертеть. Но к всеобщему счастью, в то время еще никто не знал, как провести такой эксперимент. Срыв покровов был отложен на неопределённое время.
[править] Неравенство Белла
В 1951 году физик с клоунским именем Бом придумал хитрый план по постановке эксперимента, который позволил бы учёным таки кончить. В 1964 году другой физик Белл используя очередной матан вывел неравенство имени себя, которое позволило формализовать поставленную задачу и наконец решить, кто же из всех д’Артаньян. Как водится в таких случаях, понимали это неравенство немногие, но если и понимали, то объяснить никому не могли. Тем не менее благодаря этой хери становилось возможным в эксперименте получить определённую величину, описывающую корреляции между удаленными измерениями, и на её основе сказать, имеет ли смысл описывать квантовые явления вероятностно или детерминированно, положив-таки конец квантосрачу.
Счастье было так близко, но лишь в 1972 году в Калифорнийском университете наконец были проведены опыты, зафиксировавшие нарушение неравенств Белла, и, тем самым, подтвердившие правоту квантовой механики, и, соответственно, что Эйнштейн (который к тому времени был чуть более чем мертв) обосрался. Как обычно в таких ситуациях, все радостно признали результаты эксперимента, но опять не договорились, что же они значат на самом деле. Квантосрач продолжился, за исключением того, что КМ в очередной раз была подтверждена экспериментально.
[править] Квантовая сцепленность
Итак, эксперимент таки был проведён, неравенства Белла были нарушены, ЭПР-парадокс однозначно подтвердил правильность квантовой механики. Принцип неопределённости Гейзенберга нельзя нарушить, а это означало, что в условиях ЭПР-парадокса внесение возмущения в импульс и координату одной частицы непременно влияет на другую, на каком бы далёком расстоянии ни находилась оная. Причём не на одну какую-нибудь абстрактную другую, а на любую другую. И что ещё интереснее, это совершенно никак не означает, что одна частица влияет на вообще все частицы. Это, ни много ни мало, «кошмарное дальнодействие», как это называл Эйнштейн, «телепатия», но это факт. И тут над постулатами ОТО и всеми классическими представлениями нависла уже нешуточная жопа, которую многие в упор не замечают, а большинство и не догадывается о существовании таковой. Квантовая механика похоже окончательно стала нелокальной теорией, чем вновь стала полной противоположностью ОТО.
Состояние, при котором изменение одной подсистемы сказывается на другой, называют квантовой сцепленностью или запутанностью (англ. entanglement). Взаимодействие подсистем описываются как единая суперпозиция, которая не локализована в определённой точке пространства (нелокальная). Процесс, когда вследствие взаимодействия с окружением нелокальная суперпозиция переходит в локальное классическое состояние, называется декогеренция, обратный этому процесс рекогеренция. Данное явление лежит в основе квантового компьютера, производительность которого, в отличие от обычного, возрастает экспоненциально.
Суть. Представьте, что Алиса и Боб надыбали пару устройств. На каждом устройстве одна кнопка, один счетчик нажатий и одно табло выдающее значения 0 или 1. Алиса пять раз нажала кнопку и последовательно получила (счетчик значение):
(1 1) (2 0) (3 0) (4 1) (5 1)
Боб пять раз нажал кнопку на своем устройстве и последовательно получил:
(1 1) (2 0) (3 0) (4 1) (5 1)
То есть значения на устройстве случайные, но второе устройство их точно повторяет. Случайность и корреляция ответов проверяются большой статистикой. Далее, возникает вопрос о том, как оно работает. Возможно, инфа о значениях записана в устройствах. Возможно, первое устройство генерирует случайное значение и сообщает его второму устройству. В случае км сцепленности оба предположения неверны. То что инфа не записана и «скрытых параметров» точно нет проверяется через неравенства Белла. Передача сигнала тоже невозможна, потому что запутанность передается мгновенно (Алиса и Боб могут поехать в разные города, а потом одновременно нажать кнопку на своем устройстве, при этом число совпадет), то есть со сверхсветовой скоростью.
К сожалению, для передачи инфы быстрее скорости света это устройство не годится. Алиса летит на ракете и хочет сообщить Бобу (ровно через сутки после начала полета) все ли нормально в полете («1» — нормально «0» — проблемы). Через сутки Боб нажимает на кнопку и видит (6 1), (7 0), (8 0) и т. д. Как из этих цифр узнать, все ли хорошо у Алисы? Да никак. Цифры-то случайные. И то что у Алисы устройство показывает (6 1), (7 0), (8 0) никак не связано с ситуацией у Алисы. Он даже не знает, проводила ли Алиса измерения или нет. Так что сверхсветовая передача инфы невозможна. И это хорошо, так как сверхсветовая передача инфы позволяет послать сигнал в прошлое и нарушить принцип причинности (согласно ТО, но не КМ!).
Но, это устройство позволяет создать идеальный канал передачи секретной инфы. Алиса говорит Бобу «1» — «нормально», «0» — «проблемы» для кодирования применяй «сообщение» XOR «значение при девятке». Алиса звонит Бобу. Свекровь подслушивает их разговор по параллельному телефону из соседней комнаты. Боб спрашивает «как дела». Алиса нажимает на кнопку и отвечает правду если выпадает(9 0) или ложь, если выпадает(9 1). После этого Боб выполняет обратное преобразование (ведь у него выпало то же значение, что и у Алисы) и узнает правду. Причем Свекровь не сможет узнать правду пока не увидит значения на устройстве. Исследовав это устройство перед разговором Свекровь опять же ничего не узнает, ведь следующее значение случайно. Хотя чем такой способ лучше двустороннего асимметричного шифрования, точно так же допускающего прослушивание линии и известность алгоритмов шифрования?
Впрочем, Свекровь может вскрыть ключик. Для этого она должна перехватить фотоны, идущие от Алисы к Бобу, замерить их поляризацию и отправить их Бобу (сохранив поляризацию), используя более мощный лазерный передатчик, чем у Алисы. В таком случае никто не заметит подмены. TL;DR атака «Мужик посередине» [1]
[править] Интерпретации квантовой механики
| « |
Корреляции обладают физической реальностью, а то, что они коррелируют — нет | » |
| — Н. Дэвид Мермин на научном языке | ||
| « |
Истина заключается в том, что никакой ложки нет | » |
| — Перевод на кухонно-бытовой | ||
Интерпретации квантовой механики — попытка получить ответ на вопрос о чём, в сущности, говорит квантовая механика? Квантовая механика считается «наиболее проверенной и наиболее успешной теорией в истории науки», но основной вопрос — каков её глубинный смысл — всё ещё открыт.
В связи с невозможностью договориться, что же всё-таки происходит в этом вашем микромире, британские учёные выдвинули over 9000 версий Глубинного Смысла теории. Иными словами, если свести двух учёных и показать им формулы, то они будут согласно кивать, но если попросить их объяснить ртом, что же это значит, они скорее всего набьют друг другу морды.
- Копенгагенская интерпретация — наиболее популярная, но порой доставляющая, интерпретация в современном квантмехе. Утверждает, что в квантовой механике результат измерения принципиально недетерминирован, а вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним. Копенгагенская интерпретация отбрасывает вопросы типа «где была частица до того, как я зарегистрировал её местоположение» посредством фундаментального огораживания. Последователи интерпретации поголовно состоят из мышей Эйнштейна, поскольку уверены, что именно процесс измерения случайно выбирает в точности одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор.
Пресловутый немёртвый кот в действии: цветная иллюстрация.
- Многомировая интерпретация — это интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. При проведении любого квантового эксперимента вселенная расщепляется на столько вселенных, сколько есть возможных исходов эксперимента и каждый из результатов стопроцентно реализуется в одной из них, а наблюдатель, оказавшись опять же в одной из них, видит свой один конкретный результат. В случае с «двухщелевым опытом» (Опыт Юнга) происходит следующее: при подлете к щели вселенная раздваивается, и фотон вылетит из той щели, во вселенной которой окажется наблюдатель (на самом деле фотон вылетит и из второй щели, но об этом никто не узнает, поскольку наблюдателя там, увы нет). Соответственно наблюдатель констатирует что опыт удался. И наоборот: если наблюдатель окажется в той вселенной, где фотон не вылетит (то есть на самом деле он вылетит, только в той вселенной где наблюдателя нет), то наблюдатель констатирует, что опыт не удался. Согласно мнению противников КФ, данная гипотеза считается самой научно-фантастической (кстати сказать, противники КФ считают ее научно фантастической вообще). Тем не менее, множество авторитетных учёных признают данную гипотезу имеющей право на существование.
- Теория скрытых параметров пытается объяснить результаты квантовых экспериментов неполнотой наших знаний о микромире. Вполне логичные в своей основе эйнштейновские идеи этой теории, тем не менее, не подтверждаются экспериментально, а проведенные проверки неравенства Белла напрямую опровергают существование скрытых параметров чуть менее, чем совсем.
- Транзактная интерпретация квантов утверждает, что частица посылает запрос в будущее (волна предложение) и получает ответ из будущего (волна подтверждение). Степень совпадения фаз определяет амплитуду. Квадрат амплитуды определяет вероятность события. Такой подход решает проблему наблюдателя (парадокс кота Шредингера, и мыши Эйнштейна) и вылечивает солипсизм. Свобода воли при этом тоже выпиливается. См. en.w:Transactional interpretation.
- Кроме того, многие физики склоняются к так называемой «никакой» интерпретации квантовой механики, ёмко выраженной в афоризме Дэвида Мермина: «Заткнись и считай!»
Некоторые, впрочем, пошли еще дальше и заявляют, что окружающего мира вообще не существует. Это элегантное решение как раз и объясняет выводимую при расчетах и наблюдаемую во время экспериментов хуиту.
[править] Атсрал
А теперь о грустном. Услышав, что в мире все-таки есть что-то такое, чего даже ученые не понимают, все астралопитеки стали курить сабж. Однако, выкурили, как водится, в основном конопли, поскольку из науки усвоили только термины, совершенно проигнорировав содержание. В результате:
- Парадокс наблюдателя, работающий только для электронов, ВНЕЗАПНО стал работать в макромире, и как бы намекает на получение взглядом сотен золота для тех, кто знает Секрет.
- Вероятностная сущность частиц автоматически стало означать, что возможно что угодно. Многомировая интерпретация уравнения Шрёдингера превратилась в то, что действительно есть параллельные и миры, и сейчас из них вылезет Ктулху.
- Квантовая сцепленность — это, по мнению обитателей нирван, есть реальная возможность телепортации, хотя из физики прямо следует, что это невозможно.
В итоге каждый уважающий себя Гуру считает нужным сказать, что квантовая механика есть свидетельство, научно доказанное британскими учеными, что все, чему они обучают своих падаванов — правда. Спасения нет, и даже молитва на учебнике физики за 10 класс здесь не всегда помогает.
[править] Состояние на данный момент
На данный момент квантовая механика является наиболее проверенной (и в то же время наиболее парадоксальной) теорией в истории науки. Каким же образом она работает, так никто до сих пор и не вкурил, несмотря на многолетний мозговой штурм. В то же время главным доказательством правоты квантовой механики является тот факт, что ты, дорогой Анонимус, сейчас читаешь эту статью. Поскольку именно квантовая механика стала теоретической основой полупроводниковой электроники.
Основной проблемой современной физики является попытка скрестить ужа с ежом вывести Теорию Всего, которая объединила бы квантовую физику с теорией относительности, но на данный момент они совмещаются с такой же радостью, как понимали друг друга Эйнштейн и Бор.
Среди возможных кандидатов на звание Теории Всего сейчас значатся несколько довольно сложных матановых высеров, например Теория петлевой квантовой гравитации и, конечно же, Теория струн (нет, не тех, что в твоей гитаре, дружок). Впрочем, до окончательного решения проблемы еще довольно далеко. В итоге главный вопрос современности остается нерешённым. Отака хуйня, малята.
На сегодня сабж с его парадоксами горячо любим создателями научно-популярных «фильмов, меняющих нашу жизнь».
[править] Мемы и высеры
В ходе квантосрача родилось несколько мемов, которые до сих пор цитируют направо и налево в своих холиварах все, начиная от физиков и заканчивая креационистами.
- «Бог не играет в кости» или «Господь Бог не играет в кости с мирозданием»
- «Эйнштейн, не указывай Богу, что ему делать!» (ответ Бора).
- «Бог играет в кости» — Хокинг гарантирует.
- «Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда Вы на неё смотрите?» (кащенизм по-эйнштейнски).
- «По-вашему, мышь может переделать мир, просто посмотрев на него?» (Эйнштейн о роли наблюдателя во Вселенной — «Мышь Эйнштейна»).
Но, пожалуй, самым известным квантовым медиавирусом является «Кот Шрёдингера», который, если следовать квантовому матану при проведении определённого мысленного эксперимента, оказывается одновременно и жив и мертв со всеми вытекающими.
[править] См. также
- Квантовый центр в «Сколково»
- Аниме Noein
- История КМ
- Годная статья
- КМ на Педивикии
- Фритьоф Капра. Дао физики
- С. И. Доронин:, «Квантовая магия»
- Комиксы на тему квантовой механики. Енглисх рекуирэд.
[править] Примечания
