Не позволяйте себе запутаться в этих 4 заблуждениях квантовой механики

Квантовая механика, теория, управляющая микромиром атомов и частиц, безусловно, имеет Х-фактор.

В отличие от многих других областей физики, она причудлива и нелогична, что делает ее ослепительной и интригующе.

Когда Нобелевская премия по физике в 2022 году была присуждена Алену Аспекту, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за исследования, проливающие свет на квантовую механику, это вызвало волнение и обсуждение.

Но дебаты о квантовой механике — будь то на форумах, в СМИ или в научной фантастике — часто могут запутаться из-за ряда устойчивых мифов и неправильных представлений. Вот четыре.

1. Кот может быть мертвым и живым

Эрвин Шредингер, вероятно, никогда не мог предсказать, что его мысленный эксперимент, кот Шредингера, получит статус интернет-мема в 21 веке.

Это предполагает, что Незадачливый кот, застрявший в коробке с аварийным выключателем, сработавшим в результате случайного квантового события — например, радиоактивного распада — может быть одновременно и живым, и мертвым, если мы не откроем коробку для проверки.

Нам давно известно, что квантовые частицы могут находиться в двух состояниях — например, в двух местах — одновременно. Мы называем это суперпозицией.

Ученым удалось показать это в знаменитом эксперименте с двумя щелями, когда одна квантовая частица, такая как фотон или электрон, может пройти через две разные щели в стене. одновременно. Откуда мы это знаем?

В квантовой физике состояние каждой частицы также является волной. Но когда мы посылаем поток фотонов — один за другим — через щели, на экране за щелью создается узор из двух волн, интерферирующих друг с другом.

Поскольку у каждого фотона не было мешать другим фотонам, когда он проходил через щели, это означает, что он должен был одновременно пройти через обе щели, мешая самому себе (изображение ниже).

Однако, чтобы это работало, состояния (волны) в суперпозиции частицы, проходящей через обе щели, должны быть «когерентными» — иметь четко определенные отношения друг с другом.

Эти эксперименты по суперпозиции могут можно делать с объектами постоянно увеличивающегося размера и сложности.

Один известный эксперимент Антона Цайлингера в 1999 году продемонстрировал квантовую суперпозицию с большими молекулами углерода-60, известными как «бакиболы».

Итак, что это значит для наш бедный кот? Действительно ли он и жив, и мертв, пока мы не открываем коробку?

Очевидно, что кошка — это не что иное, как отдельный фотон в контролируемой лабораторной среде, она намного больше и сложнее.

Любая когерентность, которую триллионы и триллионы атомов, составляющих кошку, могут иметь друг с другом, чрезвычайно недолговечна.

Это не означает, что квантовая когерентность невозможна в биологических системах. , просто это обычно не применяется к крупным существам, таким как кошки или люди.

2. Простые аналогии могут объяснить запутанность

Запутанность — это квантовое свойство, связывающее две разные частицы таким образом, что если вы измеряете одну, вы автоматически и мгновенно узнаете состояние другой, независимо от того, как далеко они друг от друга.

p>

Распространенные объяснения этого обычно включают предметы повседневного обихода из нашего классического макроскопического мира, такие как игральные кости, карты или даже пары носков разного цвета.

Например, представьте, что вы говорите своему другу, что вы положили синюю карточку в один конверт и оранжевую карточку в другой. Если ваш друг заберет и откроет один из конвертов и найдет синюю карточку, он узнает, что у вас есть оранжевая карточка.

Но чтобы понять квантовую механику, вы должны представить себе две карточки внутри конвертов. в совместной суперпозиции, что означает, что они одновременно оранжевые и синие (в частности, оранжевый/синий и синий/оранжевый).

Открытие одного конверта показывает один цвет, определенный случайным образом. Но открытие второй по-прежнему всегда показывает противоположный цвет, потому что он «призрачно» связан с первой картой.

Можно заставить карты отображаться в другом наборе цветов, сродни выполнению другого типа измерения. . Мы могли бы открыть конверт, задав вопрос: «Вы зеленая или красная карточка?».

Ответ снова был бы случайным: зеленая или красная. Но что особенно важно, если карты были перепутаны, другая карта все равно всегда давала противоположный результат, когда задавался тот же вопрос.

Альберт Эйнштейн попытался объяснить это с помощью классической интуиции, предполагая, что карты могли быть снабжены скрытый внутренний набор инструкций, который говорил им, какого цвета появляться при ответе на определенный вопрос.

Он также отверг очевидное «призрачное» действие между картами, которое, по-видимому, позволяет им мгновенно влиять друг на друга, что могло бы означают общение быстрее скорости света, что запрещено теориями Эйнштейна.

Однако объяснение Эйнштейна впоследствии было исключено теоремой Белла (теоретический тест, созданный физиком Джоном Стюартом Беллом) и экспериментами Нобелевского лауреата 2022 года. лауреаты. Идея о том, что измерение одной запутанной карты меняет состояние другой, неверна.

Квантовые частицы просто таинственным образом коррелируют таким образом, что мы не можем описать с помощью обычной логики или языка — они не взаимодействуют, а также со скрытым кодом, как думал Эйнштейн.

Поэтому забудьте о повседневных объектах, когда думаете о запутанности.

3. Природа нереальна и «нелокальна»

Часто говорят, что теорема Белла доказывает, что природа не «локальна», что объект не просто находится под непосредственным влиянием своего непосредственного окружения. Другая распространенная интерпретация заключается в том, что она подразумевает, что свойства квантовых объектов не являются «реальными», что они не существуют до измерения.

Но теорема Белла позволяет нам только сказать, что квантовая физика означает, что природа не существует. как реальными, так и локальными, если мы одновременно допускаем несколько других вещей.

Эти предположения включают идею о том, что измерения имеют только один результат (а не несколько, возможно, в параллельных мирах), что причина и следствие течь вперед во времени, и что мы не живем в «заводной вселенной», в которой все было предопределено с незапамятных времен.

Несмотря на теорему Белла, природа вполне может быть реальной и локальной, если вы позволил нарушить некоторые другие вещи, которые мы считаем здравым смыслом, такие как движение времени вперед. Надеемся, что дальнейшие исследования сократят количество потенциальных интерпретаций квантовой механики.

Однако большинство возможных вариантов — например, время, текущее вспять, или отсутствие свободы воли — не менее абсурдно, как отказ от концепции локальной реальности.

4. Никто не понимает квантовую механику

Классическая цитата (приписываемая физику Ричарду Фейнману, но в этой форме также перефразирующая Нильса Бора) предполагает: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы ее не понимаете».

Эта точка зрения широко распространена в обществе. Квантовую физику якобы невозможно понять, в том числе и физикам. Но с точки зрения 21-го века квантовая физика не является ни математически, ни концептуально особенно сложной для ученых.

Мы понимаем ее очень хорошо, до такой степени, что можем предсказывать квантовые явления с высокой точностью, моделировать очень сложные квантовые явления. систем и даже начать строить квантовые компьютеры.

Наложение и запутанность, когда они объясняются на языке квантовой информации, требуют не больше, чем школьная математика. Теорема Белла вообще не требует никакой квантовой физики. Его можно вывести в несколько строк, используя теорию вероятностей и линейную алгебру.

Настоящая трудность, возможно, заключается в том, как примирить квантовую физику с нашей интуитивной реальностью. Отсутствие всех ответов не помешает нам добиться дальнейшего прогресса в области квантовых технологий. Мы можем просто заткнуться и посчитать.

К счастью для человечества, нобелевские лауреаты Аспект, Клаузер и Цайлингер отказались заткнуться и продолжали спрашивать, почему. Другие, подобные им, могут однажды помочь примирить квантовые странности с нашим восприятием реальности. gif?distributor=republish-lightbox-basic» alt=»Разговор» width=»1″ height=»1″ style=»border: none !important; box-shadow: none !important; margin: 0 !important; max -height: 1px !важно; max-width: 1px !важно; min-height: 1px !важно; min-width: 1px !важно; непрозрачность: 0 !важно; контур: нет !важно; padding: 0 !важно;» referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade»>

Алессандро Федрицци, профессор физики, Университет Хериот-Ватт, и Мехул Малик, профессор физики, Университет Хериот-Ватт

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.