Квантовая механика, или квантовая физика, представляет собой совокупность научных законов, описывающих странное поведение фотонов, электронов и других субатомных частиц, из которых состоит Вселенная. В самых маленьких масштабах вселенная ведет себя совсем иначе, чем повседневный мир, который мы наблюдаем вокруг себя. Квантовая механика — это раздел физики, описывающий это странное поведение микроскопических частиц — атомов, электронов, фотонов и почти всего остального в молекулярной и субмолекулярной сфере.
Разработанные в первой половине 20-го века, результаты квантовой механики часто бывают крайне странными и контринтуитивными. Однако их изучение позволило физикам достичь более глубокого понимания природы вселенной и может однажды изменить то, как мы, люди, обрабатываем информацию. Издание Live Science представило основные ключевые концепции квантовой физики.
Чем квантовая механика отличается от классической физики?
В масштабах атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение и взаимодействие тел при обычных размерах и скоростях, перестают быть полезными.
В классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время. В квантовой механике объекты существуют в дымке вероятности; у них есть определенный шанс оказаться в точке A, другой шанс оказаться в точке B и так далее.
В отличие от знаменитой теории относительности Альберта Эйнштейна, которая была разработана примерно в то же время, истоки квантовой механики нельзя приписать одному ученому. Скорее, несколько ученых внесли свой вклад в основу, которая постепенно получила признание и экспериментальную проверку между концом 1800-х и 1930 годами, согласно данным Университета Сент-Эндрюс в Шотландии .
В 1900 году немецкий физик Макс Планк пытался объяснить, почему объекты при определенных температурах, например, нить накаливания лампочки при температуре 1470 градусов по Фаренгейту (800 градусов по Цельсию), светятся определенным цветом — в данном случае красным, согласно Институту Периметра. Планк понял, что уравнения, используемые физиком Людвигом Больцманом для описания поведения газов, можно перевести в объяснение этой связи между температурой и цветом. Проблема заключалась в том, что работа Больцмана основывалась на том факте, что любой данный газ состоит из мельчайших частиц, а это означает, что свет также состоит из дискретных битов.
Эта идея противоречила представлениям о свете того времени, когда большинство физиков считали, что свет — это непрерывная волна, а не крошечная частица. Сам Планк не верил ни в атомы, ни в дискретные частицы света, но его концепция получила поддержку в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал статью «О эвристической точке зрения на излучение и преобразование света».
Эйнштейн представлял себе свет, движущийся не как волну, а как своего рода «кванты энергии». Этот пакет энергии, предположил Эйнштейн в своей статье, может «поглощаться или генерироваться только как целое», в частности, когда атом «перескакивает» между квантованными скоростями колебаний. Вот откуда берется «квантовая» часть квантовой механики.
С этим новым способом понимания света Эйнштейн предложил понимание поведения девяти явлений в своей статье, включая конкретные цвета, которые Планк описал как испускаемые нитью лампочки. Он также объяснил, как определенные цвета света могут выбивать электроны с металлических поверхностей — явление, известное как фотоэлектрический эффект.
Корпускулярно-волновой дуализм
В квантовой механике частицы иногда могут существовать как волны, а иногда как частицы. Наиболее известным примером этого является эксперимент с двумя щелями, в котором частицы, такие как электроны, выстреливаются в доску с двумя щелями, прорезанными в ней, за которой находится экран, который загорается, когда в него попадает электрон. Если бы электроны были частицами, они бы создавали две яркие линии в местах, где они ударялись об экран после прохождения через одну или другую щель, согласно популярной статье в Nature.
Ниже представлена схема эксперимента с двумя щелями, в котором электроны создают волновую картину при использовании двух щелей. grayjay, Shutterstock
Вместо этого, когда проводится эксперимент, на экране формируется интерференционная картина. Эта картина из темных и светлых полос имеет смысл только в том случае, если электроны являются волнами с гребнями (высокими точками) и впадинами (низкими точками), которые могут интерферировать друг с другом. Даже когда через щели одновременно пропускается один электрон, интерференционная картина проявляется — эффект, похожий на интерференцию одного электрона с самим собой.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль использовал уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, чтобы показать, что частицы могут проявлять волнообразные свойства, а волны могут проявлять корпускулярные свойства — открытие, за которое он несколько лет спустя получил Нобелевскую премию.
Атомы в квантовой механике
В 1910-х годах датский физик Нильс Бор попытался описать внутреннюю структуру атомов с помощью квантовой механики. К этому моменту было известно, что атом состоит из тяжелого, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного роем крошечных, легких, отрицательно заряженных электронов. Бор поместил электроны на орбиты вокруг ядра, как планеты в субатомной солнечной системе, за исключением того, что они могли иметь только определенные предопределенные орбитальные расстояния. Перескакивая с одной орбиты на другую, атом мог получать или испускать излучение с определенными энергиями, отражающими их квантовую природу.
Вскоре после этого двое ученых, работая независимо и используя отдельные направления математического мышления, создали более полную квантовую картину атома, согласно Американскому физическому обществу. В Германии физик Вернер Гейзенберг добился этого, разработав «матричную механику». Австрийско-ирландский физик Эрвин Шредингер разработал похожую теорию, названную «волновой механикой». В 1926 году Шредингер показал, что эти два подхода эквивалентны.
Модель атома Гейзенберга-Шредингера, в которой каждый электрон действует как волна вокруг ядра атома, заменила более раннюю модель Бора. В модели атома Гейзенберга-Шредингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит модели Бора, атомные орбитали имеют различные формы, начиная от сфер и заканчивая гантелями и маргаритками, согласно пояснительному сайту химика Джима Кларка.
Парадокс кота Шредингера
Кот Шредингера — часто неправильно понимаемый мысленный эксперимент, описывающий сомнения, которые некоторые из ранних разработчиков квантовой механики испытывали по поводу его результатов. В то время как Бор и многие его студенты считали, что квантовая механика предполагает, что частицы не имеют четко определенных свойств, пока их не наблюдают, Шредингер и Эйнштейн не могли поверить в такую возможность, потому что это привело бы к нелепым выводам о природе реальности.
В 1935 году Шредингер предложил эксперимент, в котором жизнь или смерть кота зависела бы от случайного переворота квантовой частицы, состояние которой оставалось бы невидимым, пока не будет открыт ящик. Шредингер надеялся показать абсурдность идей Бора с помощью реального примера, который зависел от вероятностной природы квантовой частицы, но давал бессмысленный результат.
Согласно интерпретации квантовой механики Бором, до тех пор, пока ящик не был открыт, кот находился в невозможном двойственном положении: он был и жив, и мертв одновременно. (Ни один настоящий кот никогда не подвергался такому эксперименту.) И Шредингер, и Эйнштейн считали, что это помогло показать, что квантовая механика является неполной теорией и в конечном итоге будет заменена теорией, которая согласуется с обычным опытом.
Даже сегодня физики пытаются объяснить, почему субатомные частицы, по-видимому, могут существовать в суперпозиции различных состояний, но крупные структуры — такие как сама Вселенная — по-видимому, нет. Предложенные изменения уравнений Шредингера могли бы помочь разрешить это напряжение, но до сих пор ни одно из них не было широко принято научным сообществом.
Квантовая запутанность
Шредингер и Эйнштейн помогли выделить еще один странный результат квантовой механики, который ни один из них не мог полностью постичь. В 1935 году Эйнштейн вместе с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном показали, что две квантовые частицы могут быть настроены так, что их квантовые состояния всегда будут коррелировать друг с другом, согласно Стэнфордской энциклопедии философии. Частицы по сути всегда «знали» о свойствах друг друга. Это означает, что измерение состояния одной частицы мгновенно скажет вам состояние ее близнеца, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга, результат, который Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», но который Шредингер вскоре окрестил «запутанностью».
Концептуальное произведение искусства пары запутанных квантовых частиц или событий (слева и справа), взаимодействующих на расстоянии. Квантовая запутанность является одним из следствий квантовой теории. Две частицы будут казаться связанными через пространство и время, при этом изменения в одной из частиц (например, наблюдение или измерение) будут влиять на другую. Этот мгновенный эффект, по-видимому, не зависит ни от пространства, ни от времени, что означает, что в квантовой сфере эффект может предшествовать причине. МАРК ГАРЛИК/БИБЛИОТЕКА НАУЧНЫХ ФОТОГРАФИЙ
Запутанность, как было показано, является одним из наиболее существенных аспектов квантовой механики и происходит в реальном мире все время. Исследователи часто проводят эксперименты с использованием квантовой запутанности, и это явление является частью основы для развивающейся области квантовых вычислений.
Квантовые вычисления
В отличие от классических компьютеров, которые обрабатывают данные с помощью двоичных битов, которые могут находиться в одном из двух состояний — 0 или 1, — квантовые компьютеры используют частицы, такие как электроны или фотоны. Эти квантовые биты, или кубиты, представляют собой суперпозицию как 0, так и 1 — то есть они могут существовать в нескольких состояниях одновременно.
Фотография золотого квантового компьютера. John D/Getty
Эта суперпозиция позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления параллельно, обрабатывая все состояния кубита одновременно. Более того, квантовая запутанность позволяет нескольким кубитам обмениваться информацией и взаимодействовать одновременно, независимо от расстояния между частицами.
Хотя квантовая суперпозиция и запутанность делают вычислительный потенциал квантовых компьютеров намного выше, чем у классических компьютеров, этой области предстоит пройти долгий путь. В настоящее время квантовые компьютеры слишком малы, слишком сложны в обслуживании и слишком подвержены ошибкам, чтобы конкурировать с лучшими классическими компьютерами. Однако многие эксперты ожидают, что это однажды изменится по мере развития этой области.
Квантовая механика и общая теория относительности
На данный момент физики не имеют полного объяснения всех наблюдаемых частиц и сил во Вселенной, что часто называют теорией всего. Относительность Эйнштейна описывает большие и массивные вещи, в то время как квантовая механика описывает маленькие и нематериальные вещи. Эти две теории не совсем несовместимы, но никто не знает, как заставить их совмещаться.
Изображение «кольца Эйнштейна», полученное космическим телескопом Хаббл. Это космическое явление происходит, когда огромная гравитация объекта на переднем плане искривляет свет объекта на заднем плане, как и предсказывал Альберт Эйнштейн. ESA/Hubble/NASA
Многие исследователи пытались создать теорию квантовой гравитации, которая ввела бы гравитацию в квантовую механику и объяснила бы все от субатомных до сверхгалактических сфер. Существует множество предложений о том, как это сделать, например, придумать гипотетическую квантовую частицу для гравитации, называемую гравитоном, но до сих пор ни одна теория не смогла подогнать все наблюдения объектов в нашей Вселенной. Другое популярное предложение, теория струн, которая постулирует, что наиболее фундаментальные сущности — это крошечные струны, вибрирующие во многих измерениях, стало менее широко приниматься физиками, поскольку было обнаружено мало доказательств в ее пользу. Другие исследователи также работали над теориями, включающими петлевую квантовую гравитацию, в которой и время, и пространство присутствуют в дискретных, крошечных фрагментах, но до сих пор ни одна идея не смогла завоевать большую поддержку среди физического сообщества.
