От телепортации до путешествий во времени: все, что нужно знать о квантовой механике

Сверхтекучесть

Если температуру вещества в состоянии квантовой жидкости охладить до состояния, близкого к абсолютному нулю, то вещество приобретёт способность протекать через узкие каналы вроде, например, капилляров, без трения.

Научное обоснование явления таково: атомы вещества в состоянии квантовой жидкости (например, такую форму часто принимает гелий-3) — бозоны, и с точки зрения квантовой механики любое число её частиц может находиться в одинаковом состоянии. Чем ближе температура к абсолютному нулю, тем большее число атомов находится в одном энергетическом состоянии, и при сверхнизкой температуре энергия столкновений может быть очень мала, так что рассеяния энергии в зазорах между атомами не произойдёт — поскольку энергия не рассеивается, то и трения не будет.

До недавнего времени считалось, что подобное состояние характерно только для жидкого гелия, однако не так давно оказалось, что оно присуще и твёрдому гелию, а также другим веществам, основу которых составляют бозоны, температура которых близка к абсолютному нулю.

Квантовая запутанность

Принцип квантовой запутанности состоит в том, что при взаимодействии только на одну частицу из определённой группы частиц изменяется состояние не только того объекта, на который воздействуют напрямую, но и всех остальных объектов этой группы. Следовательно, объекты взаимосвязаны, и их связь остаётся постоянной даже тогда, когда они находятся на значительном расстоянии друг от друга или в совершенно разных условиях.

Для примера возьмём пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии: если изменить спиральность спина первого фотона с положительного на отрицательную, то спиральность второго фотона всегда будет отрицательной. Если же снова изменить спиральность первого фотона на отрицательную, то второй фотон приобретёт положительную спиральность.

Теперь про квантовое бессмертие

Что же это такое? Если официальным языком, то:

Квантовое бессмертие — мысленный эксперимент, вытекающий из мысленного эксперимента с квантовым самоубийством и утверждающий, что, согласно многомировой интерпретации квантовой механики, существа, имеющие способность к самосознанию, бессмертны.

Давайте разбираться.

Квантовая механика

Ученые в квантовой механике разделяют наш мир на несколько миров. Это микромир, к которому относятся атомы, молекулы, протоны и фотоны, то есть все маленькие частицы. Макромир – это наш обычный мир, где мы живем, и все вещи, которые мы видим перед собой: машины, поезда, люди, деревья, животные. И Мегамир – это планеты, солнечная система, вселенная и все крупные объекты, которые кажутся нам невероятно большими.

В нашем мире все можно объяснить обычной механикой. Здесь работают законы физики, закон Ньютона. Но в маленьком мире этого не происходит. Мы живем в обычном мире, где ездят машины, летают самолеты, и мы привыкли, что везде все должно работать по законам физики, а если где-то это перестает работать, то для нас это мистика и мы в это не верим. По крайней мере, мы так думаем. Квантовая механика, как раз, старается объяснить процессы, которые там происходят. А когда мы понимаем, что это все научно доказано, то нам становится не по себе.

Квантовая механика, как наука, является очень сложной и непонятной. Но, в то же время, она очень интересна и может помочь человечеству ответить на самые интересные вопросы. Ученый физик Ричард Фейман сказал: «Это нормально не понимать квантовую механику, потому что её никто не понимает».

Пример

Главный принцип, от которого стоит отталкиваться в дальнейшем и который нужно понять, чтобы понять квантовое бессмертие – это принцип суперпозиции. Он гласит о том, что любой предмет в нашем мире находится в нескольких положениях одновременно. Возьмем кота. Сейчас он лежит на кровати, с тем же он лежит на стуле, ест на кухне и все это одновременно, просто в разных мирах. Это и есть доступное объяснение принципа суперпозиции.

А теперь возьмем микромир, он является основным в нашем познании квантовой механики. Вместо кота там маленькие частицы, например, фотоны. Мы их изучаем, чтобы выяснить одно лишь единственное их положение в мире, а не в принципе суперпозиции. И дело в том, что, когда мы начинаем их изучать, вся суперпозиция пропадает и фотон оказывается в том положении, в котором он есть и будет. Также и ваш кот сейчас лежит на диване, и это единственное то, что он делает в этот момент времени.

Еще немного про квантовую механику

На данный момент ученые не могут объяснить, как и почему один предмет может находиться в нескольких местах одновременно. Также, в квантовой механике существуют несколько интерпретаций, которые несколько отличаются друг от друга. Прежде чем начать говорить о квантовом бессмертии, стоит понять, что они значат.

Физики-теоретики Нильс Бор и Вернер Гейзинберг сформировали Копенгагенскую интерпретацию в 20 веке. Согласно ей, фотоны и другие частицы в микромире могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Когда мы пытаемся измерить микромир, мы воздействуем на него, тем самым он меняется и остается таким навсегда, а все другие его состояния удаляются и больше не проявляются никогда. Чтобы понять, можем взять в пример вашего кота, который вошел в комнату. Пока вы не посмотрели на него, он может лечь, сесть, продолжить стоять. Это возможные его состояния. Но, когда вы посмотрите на него, он ляжет на кровать и продолжит там лежать. Это станет единственным его состоянием, а другие пропадут и не будут существовать в других мирах.

Многомировая интерпретация. В 1957 году ее озвучил Американский физик Хью Эверит. Согласно ей, когда человек наблюдает за фотоном, в этот момент мир разделяется на двое. В одном мире фотон идет прямо, а в другом волнообразно. Мы же попадаем в один из этих миров совершенно случайно, без какого-либо принципа. Только представьте, что где-то один ученый смотрит на обычный свет, который светит в дырки, а из-за этого целый мир разделяется на двое. Мы остаемся в нашем, а где-то в другой вселенной появляется новый мир, похожий на наш, но там все будет происходить по-другому. Этой версии придерживаются большинство ученых.

Подогретые фуллерены

Эксперименты по дифракции частиц проводились не только с электронами, но и другими, гораздо более крупными объектами. Например, использовались фуллерены, большие и закрытые молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Недавно группа ученых из Венского университета под руководством профессора Цайлингера пыталась включить элемент наблюдения в эти эксперименты. Чтобы сделать это, они облучали движущиеся молекулы фуллеренов лазерными лучами. Затем, нагретые внешним источником, молекулы начинали светиться и неизбежно отображать свое присутствие для наблюдателя.

Вместе с этим нововведением изменилось и поведение молекул. До начала такого всеобъемлющего наблюдения фуллерены довольно успешно избегали препятствия (проявляя волновые свойства), аналогично предыдущему примеру с электронами, попадающими на экран. Но с присутствием наблюдателя фуллерены стали вести себя как совершенно законопослушные физические частицы.

1. Дифракция электронов

Согласно опросу знаменитых физиков, проведенному The New York Times, эксперимент с дифракцией электронов является одним из самых удивительных исследований в истории науки. Какова его природа? Существует источник, который излучает пучок электронов на светочувствительный экран. И есть препятствие на пути этих электронов, медная пластина с двумя щелями.

Какую картинку можно ожидать на экране, если электроны обычно представляются нам небольшими заряженными шариками? Две полосы напротив прорезей в медной пластине. Но на самом деле на экране появляется куда более сложный узор из чередующихся белых и черных полос. Это связано с тем, что при прохождении через щель электроны начинают вести себя не только как частицы, но и как волны (так же ведут себя фотоны или другие легкие частицы, которые могут быть волной в то же время).

Эти волны взаимодействуют в пространстве, сталкиваясь и усиливая друг друга, и в результате сложный рисунок из чередующихся светлых и темных полос отображается на экране. В то же время результат этого эксперимента не изменяется, даже если электроны проходят один за одним — даже одна частица может быть волной и проходить одновременно через две щели. Этот постулат был одним из основных в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно демонстрировать свои «обычные» физические свойства и экзотические свойства как волна.

Но как насчет наблюдателя? Именно он делает эту запутанную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попытались определить с помощью инструментов, через какую щель фактически проходит электрон, картинка на экране резко изменилась и стала «классической»: с двумя освещенными секциями строго напротив щелей, безо всяких чередующихся полос.

Электроны, казалось, не хотят открывать свою волновую природу бдительному оку наблюдателей. Похоже на тайну, покрытую мраком. Но есть и более просто объяснение: наблюдение за системой не может осуществляться без физического влияния на нее. Это мы обсудим позже.

Квантовый парадокс Зенона

Алан Тьюринг

Если постоянно осуществлять наблюдение за нестабильной квантовой частицей, то она никогда не сможет распасться, иными словами, наблюдая за частицей, мы так или иначе вносим изменения в её состояние, например, сообщаем ей энергию или дополнительный импульс: чем стабильнее состояние частицы, тем с большей вероятностью она распадётся.

Впервые эффект описал Алан Тьюринг ещё в 1957-м году, однако на практике это явление удалось пронаблюдать только в 1989-м — эксперимент провёл Дэвид Вайнленд: как только на атомы воздействовали с помощью ультрафиолетового излучения, их переход в двухуровневое (возбуждённое) состояние подавлялся.

Замерзающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются не только в экспериментах с котами, но и сами по себе. Каждая частица имеет средний срок жизни, который, как выясняется, может увеличиться под бдительным оком наблюдателя. Этот квантовый эффект был предсказан еще в 60-х годах, а его блестящее экспериментальное доказательство появилось в статье, опубликованной группой под руководством нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучался распад нестабильных возбужденных атомов рубидия. Сразу после подготовки системы атомы возбуждались с помощью лазерного луча. Наблюдение проходило в двух режимах: непрерывном (система постоянно подвергалась небольшим световым импульсам) и импульсном (система время от времени облучалась более мощными импульсами).

Полученные результаты полностью соответствовали теоретическим предсказаниям. Внешние световые эффекты замедляют распад частиц, возвращая их в исходное состояние, которое далеко от состояния распада. Величина этого эффекта также совпадала с прогнозами. Максимальный срок существования нестабильных возбужденных атомов рубидия увеличивался в 30 раз.

Квантовая механика и сознание

Мы находимся в одном шаге от признания того, что мир вокруг нас — просто иллюзорный продукт нашего разума. Идея страшная и заманчивая. Давайте попробуем снова обратиться к физикам. Особенно в последние годы, когда все меньше и меньше людей верят Копенгагенской интерпретации квантовой механики с ее загадочными коллапсами волновой функции, обращаясь к более приземленной и надежной декогеренции.

Дело в том, что во всех этих экспериментах с наблюдениями экспериментаторы неизбежно влияли на систему. Они зажигали ее с помощью лазера и устанавливали измерительные приборы. Их объединял важный принцип: вы не можете наблюдать за системой или измерять ее свойства, не взаимодействуя с ней. Любое взаимодействие есть процесс модификации свойств. Особенно когда крошечная квантовая система подвергается воздействию колоссальных квантовых объектов. Некий вечно нейтральный буддист-наблюдатель невозможен в принципе. И здесь в игру вступает термин «декогеренция», который является необратимым с точки зрения термодинамики: квантовые свойства системы меняются при взаимодействии с другой крупной системой.

Во время этого взаимодействия квантовая система теряет свои первоначальные свойства и становится классической, словно «подчиняясь» крупной системе. Это объясняет и парадокс кота Шредингера: кот — это слишком большая система, поэтому ее нельзя изолировать от остального мира. Сама конструкция этого мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, если допустить реальность акта творения сознанием, декогеренция представляется гораздо более удобным подходом. Возможно, даже слишком удобным. При таком подходе весь классический мир становится одним большим следствием декогеренции. И как заявил автор одной из самых известных книг в этой области, такой подход логически приводит к заявлениям типа «в мире нет частиц» или «нет времени на фундаментальном уровне».

В чем правда: в создателе-наблюдателе или мощной декогеренции? Нам нужно выбрать между двух зол. Тем не менее ученые все больше убеждаются в том, что квантовые эффекты — проявление наших психических процессов. И то, где заканчивается наблюдение и начинается реальность, зависит от каждого из нас.

По материалам topinfopost.com

4. Замерзающие частицы

Подогретые фуллерены

ЭПР-парадокс

Эксперимент был направлен на опровержение такого фундаментального для квантовой механики утверждения, как принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что нельзя одновременно измерить две характеристики частицы, зачастую имеют ввиду – импульс и координату.

ЭПР-парадокс звучит следующим образом. Пусть две частицы одного сорта образовались вследствие распада третьей частицы. Тогда сумма их импульсов будет равна импульсу исходной частицы, согласно закону сохранения импульса. Далее, зная импульс исходной частицы (которую заранее подготовят экспериментаторы), и измерив импульс второй частицы, можно рассчитать импульс первой. То есть в результате измерения мы получили такую характеристику первой частицы как импульс. Теперь измерим координату второй частицы, и в итоге будем иметь две измеренные характеристики одной частицы, что прямо противоречит принципу неопределенности Гейзенберга.

Однако в самой же квантовой механике есть средства для разрешения этого парадокса. Согласно законам квантового мира – любое измерение приводит к изменению характеристик измеряемого тела. Тогда до измерения координаты второй частицы, действительно, может иметь место определенный импульс. Но в момент измерения координаты состояние частицы меняется и нельзя утверждать, что эти характеристики были измерены одновременно.

Тем не менее, в результате корпускулярно-волнового дуализма, находясь на некотором расстоянии, эти возникшие частицы имеют состояния, описываемые одной волновой функцией. Из этого вытекает, что измерение (а значит и изменение) импульса одной частицы приводит и к измерению импульса другой. Причем увеличение расстояния между этими частицами не запрещается, что опять же противоречит принципу локальности.

Термины

Разрушительные помехи – волны мешают и не соответствуют друг другу.
Конструктивные помехи – волны мешают в гребнях, но совпадают по фазе.

В эксперименте с двойной щелью видно, что вещество и энергия способны вести себя как волны или частицы. В 1628 году Кристиан Гюйгенгс доказал, что свет выступает волной. Но некоторые люди не соглашались, особенно Исаак Ньютон. Он полагал, что для объяснения потребуются цветные интерференционные и дифракционные эффекты. До 1801 года никто не верил, что свет – волна, пока не появился Томас Юнг со своим экспериментом с двойной щелью — опыт Юнга. Он сделал две близко поставленных вертикальных щели (примерное расстояние между щелями в опыте Юнга можно увидеть на нижней схеме) и пустил сквозь них свет, наблюдая за созданным на стене узором.

Свет проходит сквозь две вертикальных щели и дифрагируется в виде двух вертикальных линий, расположенных горизонтально. Если бы не дифракция и интерференция, то свет просто создал две линии

Квантовые вычисления, которые будут сбивать с толку дедушек и бабушек будущего

antgirl / flickr

Нет, квантовые вычисления не подразумевают использование крошечных компьютеров. Так называется новый подход к вычислительной мощности, в котором используются такие принципы, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность (об этом подробнее позже). Результат?

Мощный компьютер, размещенный в в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, будет использован для изучения того, как и могут ли квантовые эффекты ускорить решение сложных задач оптимизации, машинного обучения и выборки. (Фото инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби, США)

Возможность обрабатывать данные со скоростью, превышающей возможности классических компьютеров, и с бесконечным количеством приложений. Самый продвинутый квантовый компьютер в мире в настоящее время находится в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, и, как и все ранние версии новых компьютеров, он до смешного огромен.

Что произошло на самом деле?

На самом деле, согласно многомировой интерпретации квантовой механики, вы в течение месяцев методично и безжалостно убивали людей. И ухлопали народу в итоге больше, чем их погибло в 2001 году во Всемирном торговом центре. Люди эти — ваши клоны, которые в данный момент сильно пахнут в тысячах ящиков по тысячам параллельным вселенных. В которые вы за эти два месяца тысячи раз (не заметив того и почти не потеряв в массе), расщепились.

Многомировая интерпретация квантовой механики с Дэвидом Уолласом

Можно считать, что произошло чудо. Но с точки зрения физика, который согласен с ММИ, ничего особенного не произошло. Просто вы прошли чудовищное число «бутылочных горлышек» искусственного отбора, попав в ту из множества реальностей, где ваш клон жив (пока что) и здоров. Вопреки здравому смыслу и интуиции.

И видите сейчас вы свой ящик снаружи лишь потому, что огромное число людей в других вселенных его уже не могут видеть даже изнутри.

Внимание: речь идет о мыслительном эксперименте. Проводить его в реальности (и особенно в оригинальном варианте — с «русской рулеткой») мы вам не рекомендуем категорически

Почему? Да хотя бы потому, что наблюдателю может «повезти» угодить во вселенную, где его клон не умрет, но навсегда останется инвалидом.

Вот здесь можно выдохнуть.

Альтернативный пример (без ящика и самоубийств) для лучшего понимания сути квантового бессмертия выглядит так. Вы идёте по улице, и в вас стреляют с близкого расстояния. В этот момент от вашей реальности отпочковывается новая реальность (или несколько), в которых стрелявший промахивается/у него случается осечка/вы поворачиваетесь к нему боком, где у вас спрятан толстый фолиант, умыкнутый из библиотеки/вы легко ранены и сбегаете/вблизи появляется машина ППС/в преступнике просыпается моральное чувство, он бросает пистолет и кается… Дальше продолжайте сами.

Важно здесь лишь то, что в изначальной реальности вас все-таки благополучно убили. Другое дело, что ваше сознание продолжает путешествовать по альтернативным ветвлениям реальности, во многих из которых оно даже не заметило случившегося («по наитию» вы обошли опасный квартал)

Что принесла нам квантовая физика

Ньютоновская физика отражает привычные нам эмпирические представления о мире, на которых основаны все ключевые инженерные достижения нашего времени – самолеты, автомобили, ракеты и далее по списку.

Хотя и не все. Компьютеры, мобильные телефоны и прочие гаджеты, интернет, лазеры, оптоволоконные сети, атомная энергетика, рентген, томография, электронные микроскопы – все это не могло бы быть создано без науки о квантах.

Кто это сделал? В большинстве случаев какого-то одного автора всех этих изобретений нет, потому что над ними работало множество коллективов инженеров и ученых из разных стран. И все развивалось постепенно. Сначала появлялись первые, весьма несовершенные прототипы. Идеи, положенные в их основу, подхватывались и начинали развиваться. И так шаг за шагом, пока не появлялись то, чем мы привыкли пользоваться. Причем, как правило, это происходило параллельно в разных лабораториях и исследовательских центрах мира. Затем в дело вступали крупнейшие технологические компании, которые вкладывали большие инвестиции в то или иное изобретение и доводили его до промышленного производства. Вот только один пример.

Парадокс Клейна

Представьте задачу: релятивистскую частицу необходимо переместить через потенциальный барьер, при этом потенциальная энергия частицы меньше высоты барьера — другими словами, энергии для преодоления барьера стандартным путём частице не хватит. С точки зрения классической механики такое явление невозможно, однако, согласно квантовой механике частица всё же может преодолеть барьер.

Точнее, не совсем так: дело в том, что при задействовании определённой энергии при сильном поле произойдёт рождение второй, парной частицы, или античастицы, которая возникнет как раз по другую сторону барьера.

Теория про кота Шредингера

Про теорию кота Шредингера слышали, наверное, все.

Ученый провел эксперимент. Он взял обычную коробку и поместил туда кота. Суть заключалась в том, что внутри находилась емкость с опасным химическим веществом, которое, при открытии, могло кота убить. Также внутри находился прибор для измерения радиации – счетчик Гейгера, на который был установлен механизм – молоток на веревке. И самый главный элемент – радиоактивное вещество, которое распадалось. Из ядерной физики известно, что распад вещества – процесс случайный и его нельзя предсказать. Если оно распадалось, то счетчик Гейгера фиксировал радиацию, молоток, привязанный к нему, срывался и разбивал колбу, кот умирал. Если вещество не распадалось, кот оставался жив. По теории вероятности мы получаем шанс 50 на 50 процентов.

Об этом эксперименте узнал весь мир, и все люди были в недоумении от этого. Однако, в действительности за кота можно не переживать. На самом деле, эксперимент не проводился, а был лишь мыслями Австрийского физика-теоретика Эрвина Шрёдингера, который он придумал в далеком 1935 году.

Сознание и суперпозиция

Хорошо, если мы влияем на поведение частицы в момент выбора ею пути: интерференция или нет, то что будет, если мы посмотрим на нее уже после того, как она пройдет через щель и определится?

В общем, опыт с «отложенным выбором» провели. И это заставило некоторых ученых чуть ли не рвать на себе волосы

Оказалось, что не важно, когда мы проводим наблюдения, интерференции все равно не будет. То есть фотоны света интерферируют ровно до того момента, как мы на них посмотрим, независимо от того, прошли они уже через щели или нет

То есть вы хотите сказать, что они «знают», что сейчас за ними наблюдает детектор?

Из всех возможных вариантов поведения частицы она выбирает один конкретный лишь в момент наблюдения. Все остальное время она находится в состоянии суперпозиции – то есть всех состояниях одновременно.

Мы кажется, стали забывать о главной теме этой статьи, но вы, наверное, уже и сами догадались. Частица принимает определенную позицию тогда, когда мы на нее смотрим. В таком случае, можно ли говорить о том, что ее позиция выбирается тогда, когда она достигает нашего… сознания?

Теория стала набирать обороты, и американский физик-теоретик Джон Уилер решил даже своеобразно потролить своих коллег, сказав, что возможно, изначально во Вселенной было множество вариантов развития событий, но то, что появились мы и стали за всем этим наблюдать, изменило ход истории. Тем самым можно сказать, что мы живем в «соучастной вселенной». Шутник, однако.

Но, как известно, в каждой шутке есть какая-никакая доля правды, и, так как единого объяснения всему этому до сих пор нет, то нельзя исключать даже такое. Вы и сами можете выдвинуть какую-нибудь безумную теорию и, если опровергнуть ее не удастся, то она тоже может быть одним из возможных вариантов. Но все такие теории связывает одна основа: между квантовой механикой и сознанием должна быть какая-то связь.