Квантовая физика: о самом сложном простым языком
Введение. Принципиальная сложность понимания квантовой теории
Сложно представить, как выглядела бы наша цивилизация без классической физики и математики. Понятия об абсолютной «объективной реальности, существующей независимо от нашего сознания», о трехмерном евклидовом пространстве и равномерно текущем времени настолько глубоко укоренились в сознании, что мы не замечаем их. А главное, отказываемся замечать, что применимы они лишь в некоторых рутинных ситуациях и для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.
Хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: «все относительно», «время и пространство едины», — всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью. На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью — удивительной и невероятной.
После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его «планетарная» модель, ученые столкнулись со множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики — квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.
Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.
Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.
Планетарная теория. Волна или частица
До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Теория весьма красивая, но возникает ряд противоречий.
Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не «падают» на положительное ядро? Во‑вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.
Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода, появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, которые пытались объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн. Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.-
Вероятностные электронные облака. Строение ядра и ядерные частицы
Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.
Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.
Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!
Участник вместо наблюдателя
В мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, — а значит, меняет и ее саму?
В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает… сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником».
Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся.
Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.
Принцип неопределенности. Место или импульс, энергия или время
Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.
Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.
Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще?
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2006).
[divider style=»solid» top=»20″ bottom=»20″]
Антиматерия проинтерферировала на самой себе. В классическом эксперименте позитроны оказались неотличимы от обычных электронов (2019)
Группа европейских ученых доказала, что позитроны, как и их античастицы — электроны, могут проявлять волновые свойства. Для этого физики провели эксперимент с дифракцией позитронов на двух параллельных щелях. Это не только подтверждает квантовую теорию, но и открывает новые перспективы в изучении античастиц.
Согласно квантовой механике, каждый объект может вести себя и как частица, и как волна. В обычных условиях, вне лабораторных экспериментов, такая двойственность присуща свету. Например, при столкновении с солнечными батареями он ведет себя как поток частиц, выбивая электроны из атомов и проявляя тем самым фотоэффект, а вот дифракция, то есть появление вторичных волн при столкновении с препятствием, — это уже чисто волновой феномен.
В быту вы можете наблюдать дифракцию, подставив поверхность компакт-диска под падающий солнечный свет, а с некоторыми ухищрениями — поместив волос в луч лазерной указки. Края препятствия, вставшего на пути волн, сами становятся источниками вторичных волн, которые, накладываясь друг на друга, дают характерный рисунок на стоящем позади препятствия экране.
Проведенные еще в начале XX столетия опыты с пучком электронов показали, что электроны, как и свет, могут проявлять себя не только в роли частиц, но и в роли волн (это свойство ученые назвали корпускулярно-волновым дуализмом). Впоследствии ученые продемонстрировали волновые свойства других частиц и подтвердили, что теоретически выведенная связь между массой частицы и длиной той волны, которой она соответствует, существует: чем масса больше, тем длина волны меньше. В результате, например, протоны в абсолютном большинстве случаев ведут себя как частицы, а не как волны.
Античастицы имеют ту же массу, что и частицы обычного вещества, но противоположный электрический заряд — например, позитрон, в отличие от электрона, заряжен положительно, а антипротон — отрицательно. Из теоретических соображений следовало, что античастицы тоже будут проявлять корпускулярно-волновой дуализм.
Но на пути к изучению волновых свойств антиматерии (вдруг она почему-то представляет собой исключение из правил?) стоял ряд препятствий. Античастицы появляются в небольшом количестве при радиоактивном распаде некоторых изотопов, а также при взаимодействии обычных частиц очень высоких энергий. Вдобавок они аннигилируют при столкновении с обычной материей, так что даже теоретическая (на практике столько и не получить) стоимость антиматерии составляет триллионы долларов за грамм.
Лишь в 1980 году дифракцию позитронов смогли зафиксировать экспериментально, но самые интересные опыты, с дифракцией на двух щелях, поставить не удавалось вплоть до самого недавнего времени.
Мысленно перейти от потока частиц к набегающим волнам достаточно сложно, но это не самый сложный момент в квантовой механике. Когда частицы падают на экран с двумя близкими щелями, те тоже пролетают через них и оставляют на экране сзади картину, характерную для сложения волн от краев обеих щелей.
Причем, что самое удивительное, результат наблюдается даже тогда, когда частиц очень мало и они летят поодиночке. Опыт с двухщелевой интерференцией ученые проводили неоднократно, и он показал, что объекты не просто ведут себя и как волны, и как частицы. При этом одна частица может интерферировать сама с собой и проходить через две щели одновременно! Этот эксперимент вошел во все учебники, а в новой публикации на страницах Science Advances группа итальянских исследователей (вместе с коллегой из Швейцарии) описала вариант этого же опыта с позитронным пучком.
В качестве источника излучения физики использовали натрий-22. Этот изотоп нестабилен, период его полураспада составляет около 2,6 года. За это время в среднем половина протонов, входящих в ядро атомов натрия-22, превращается в комбинацию из нейтрона, позитрона и нейтрино. Последнее улетает прочь, нейтрон остается в ядре, а позитрон выходит наружу.
В установке ученых электрическое поле подхватывало этот позитрон и направляло его в сторону дифракционных элементов из нитрида кремния. Весь опыт проводили в вакуумной камере, чтобы частицы при столкновении с молекулами воздуха не аннигилировали раньше времени. Для регистрации прошедших через щели позитронов поставили пластинку с фотоэмульсией, которую после окончания эксперимента просканировали под микроскопом в поисках следов от частиц.
Изучение фотопластинок показало (в полном соответствии с теорией) множество точечных следов от попадания отдельных позитронов. Один позитрон оставлял единственный след, но в совокупности распределение этих отметок дало картину, типичную для наложения волн, с отдельными минимумами и максимумами. То, что предсказывали еще отцы-основатели квантовой механики почти сто лет назад, снова подтвердилось на опыте, причем на этот раз с античастицами.
Сами авторы исследования отмечают, что они не хотели только лишь в очередной раз подтвердить основы современной физики. Другой целью было создание чувствительного оборудования для работы с античастицами, особенно сравнительно медленными. Оно позволит провести ряд других фундаментальных экспериментов. Например, ученые смогут проверить то, с какой скоростью падают античастицы и, следовательно, как на них действует гравитация. Теоретически разницы быть не должно, но вдруг? Ряд опытов, призванных прояснить взаимодействие антивещества с гравитацией, пока что дал не самые точные результаты, так что разработка более совершенных методов исследования придется как нельзя кстати.
Экспериментально доказано, что из античастиц можно собрать и отдельные атомы, вплоть до антигелия (с ядром, в котором есть два антипротона), однако хранить антивещество крайне затруднительно. Пока что системы, которые позволяют удерживать и перевозить с места на место хотя бы миллиард антипротонов, находятся лишь в стадии разработки. Гипотетически антивещество могло бы быть эффективным топливом для космических кораблей или суперэффективной взрывчаткой, но на сегодня все это относится к сфере научной фантастики.
В то же время испускающие позитроны радионуклиды уже активно используются на практике. Если такое вещество добавить в глюкозу и ввести в организм, то порождаемые в результате гамма-кванты (излучаемый позитрон быстро аннигилирует и дает пару квантов, летящих в противоположные стороны) позволят очень точно следить за концентрацией глюкозы в разных местах и, следовательно, за уровнем обмена веществ. Этот метод, называемый позитронно-эмиссионной томографией, нашел свое применение в медицине, особенно для диагностики злокачественных опухолей.
[divider style=»solid» top=»20″ bottom=»20″]
Доказано: биологическая молекула ведет себя как квантовая волна (2019)
Эксперимент открывает путь к новой эре квантовой биологии: впервые команда физиков из Австрии наблюдала квантовую интерференцию цепочки из 15 аминокислот.
Одна из загадок квантовой механики — корпускулярно-волновой дуализм. Свойство, благодаря которому микроскопические объекты могут вести себя и как волны, и как частицы. Ряд экспериментов доказал, что частица — к примеру, электрон или фотон — может взаимодействовать с собой как волна. А поскольку все объекты фундаментально квантовые по природе, у них у всех есть свойственная им длина волны. Так что в принципе макроскопические объекты тоже должны обладать корпускулярно-волновым дуализмом, пишет MIT Technology Review.
Физики еще не определили метод измерения волнообразной природы крупных объектов, но достигают все новых успехов на этом пути. Еще в 1999 году одна из команд продемонстрировала, например, корпускулярно-волновой дуализм молекул фуллерена.
Армин Шайеги из Австрийского университета вместе с коллегами пошел еще дальше. Ученые впервые продемонстрировали квантовую интерференцию в молекулах грамицидина — природного антибиотика, состоящего из 15 аминокислот.
Их исследование закладывает основу изучения квантовых свойств биологических молекул, энзимов, ДНК и, возможно, даже простейших форм жизни, таких как вирусы.
Идея эксперимента, проведенного Шайеги, была относительно проста: нужно создать луч сверххолодных молекул грамицидина, а затем измерить интерференцию луча. Картина интерференции станет явным доказательством волновой природы этих молекул. Однако воплотить замысел оказалось сложнее.
Первой проблемой стало создание луча из отдельных биологических молекул — хрупких и легко распадающихся. Второй, еще более сложной, — измерить картину интерференции луча, поскольку длина волны луча составляет одну тысячную размера самой молекулы. Однако ученым удалось преодолеть все трудности.
Результат оказался вполне убедительным. «Делокализация молекулярной когеренции более чем в 20 раз превышает молекулярный размер», — сказал Шайеги. Такого рода «смещение» молекул было бы невозможно, если бы грамицидин был чистой частицей. Значит, он проявляет и свойства волны.
[divider style=»solid» top=»20″ bottom=»20″]
Физики заставили молекулу из 2000 атомов быть в двух местах одновременно (2019)
Долгое время считалось, что законы квантовой механики распространяются только на крошечные объекты, вроде фотонов. Однако физики доказали, что этим правилам могут подчиняться и очень крупные (по меркам молекулярного мира) тела.
Наверное, вы не раз слышали про мысленный эксперимент, который в свое время сформулировал австрийский физик Эрвин Шрёдингер — тот самый, с котом, коробкой и радиоактивным изотопом. По условиям эксперимента, кот может быть одновременно мертв и не мертв, то есть находится в состоянии своего рода квантовой неопределенности — «суперпозиции». Что ж, ученые не стали сажать котов в коробки, а просто провернули тот же эксперимент с огромной молекулой, состоящей из 2000 атомов.
Квантовая суперпозиция была протестирована бесчисленное количество раз на небольших системах, и физики успешно показали, что отдельные частицы могут находиться в двух местах одновременно. Но в подобном масштабе такого рода эксперименты ранее не проводились.
Этот эксперимент позволяет исследователям уточнить гипотезы квантовой механики и лучше понять, как на самом деле работает эта эта загадочная отрасль физики — а также то, как законы квантовой механики объединяются с более традиционными, более масштабными законами физики классической. «Наши результаты показывают отличное согласование с квантовой теорией и не могут быть объяснены с позиции классической физики», утверждают исследователи в своей статье.
В частности, новое исследование включает уравнение Шредингера, которое описывает, как даже отдельные частицы могут вести себя как волны и проявляться в нескольких местах одновременно. Проще всего описать их взаимодействие как рябь на пруду, в который вы кинули сразу несколько камешков.
Чтобы доказать свою гипотезу, ученые организовали эксперимент с двумя щелями — опыт, хорошо знакомый квантовым физикам. Обычно он состоит в проецировании отдельных частиц света (фотонов) через две щели. Если бы фотоны действовали просто как частицы, результирующая проекция света на другую сторону показала бы просто одну полосу. Но на деле свет, проецируемый на другую сторону, показывает интерференционную картину — множество полос, которые взаимодействуют подобно волнам. Как видите, доказательство даже не требует сверхчувствительного оборудования.
Нам кажется, что фотоны находятся в двух местах одновременно, подобно кошке Шредингера. Но, как многим известно, кошка находится в двух состояниях, пока у нее нет стороннего наблюдателя. Когда же коробка открыта, состояние кошки становится определенным — она или жива, или мертва.
То же самое с фотонами. Как только свет измеряется или наблюдается непосредственно человеком, суперпозиция исчезает, и состояние фотона фиксируется. Это одна из главных загадок в основе всей квантовой механики.
Исследователи повторили эксперимент с двумя щелями, но использовали не фотоны, а электроны, атомы и небольшие молекулы. Но теперь физики показали, что и огромные молекулы подчиняются тем же правилам! Команда использовала огромные соединения атомов, состоящие из 2000 «деталей», для создания квантовых интерференционных картин, как если бы они вели себя как волны и находились в более чем одном месте одновременно.
Эти колоссальные молекулы известны как «олиготетрафенилпорфирины, обогащенные фторалкилсульфанильными цепями», и некоторые из них были в 25 000 раз превосходили атомы водорода по массе. Но по мере того, как молекулы увеличиваются в размерах, они также становятся менее стабильными, а потому ученым удавалось создавать им помехи только в течение семи миллисекунд за один раз, используя недавно разработанное оборудование — интерферометр волновой материи. Приходилось учитывать даже такие факторы, как вращение Земли и гравитационное притяжение самих атомов. Что ж, работа того стоила.
Теперь мы знаем, что правила квантовой механики применимы не только к ничтожно малым объектам, вроде фотонов, но и к намного более крупным телам. Предыдущий рекорд представлял собой молекулу лишь из 800 атомов — считалось, что это предел, после которого вместо законов квантовой физики начинают действовать законы физики классической. Но и это еще не конец: команда уверена, что уже совсем скоро сможет поставить новый рекорд.
[divider style=»solid» top=»20″ bottom=»20″]
Ученые заглянули в разные варианты будущего (2019)
Команда физиков из Сингапура и Австралии сконструировала прототип квантового устройства, способного генерировать все возможные варианты будущего в одновременной квантовой суперпозиции. Похоже на работу Доктора Стрэнджа.
Две команды ученых спроектировали фотонный квантовый процессор, в котором потенциальные исходы решений представлены в виде положения квантовых частиц света. Затем они продемонстрировали, что состояние квантового устройства было суперпозицией множества потенциальных будущих, измеренных в соответствии с их вероятностью, пишет Phys.org.
«Когда мы думаем о будущем, перед нами возникает множество возможностей, — объясняет Майл Гу из Национального университета Сингапура, главный разработчик квантового алгоритма. — Эти возможности по мере продвижения в будущее растут в геометрической прогрессии. Например, даже если у нас ежеминутно есть выбор только из десяти возможностей, менее чем за полчаса накопится 14 млн вариантов будущего. Не пройдет и дня, как их число превысит число атомов во Вселенной».
Но квантовый компьютер может изучить все варианты будущего, если поместит их в состояние суперпозиции — наподобие знаменитого кота Шредингера, одновременно живого и мертвого.
По словам ученых, на мысль о создании такого устройства их натолкнул нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Когда он изучал квантовую физику, ему пришло в голову, что когда частица движется из пункта А в пункт Б, она не обязательно следует одной траектории. Вместо этого она одновременно проходит все возможные пути, соединяющие обе точки.
Собранная сингапурскими и австралийскими физиками машина уже показала себя в деле — она измерила, насколько наша склонность к определенному выбору в настоящем влияет на будущее.
Хотя прототип способен пока симулировать максимум 16 вариантов будущего одновременно, лежащий в его основе алгоритм можно масштабировать без ограничений.
