igorek44 (igorek44) wrote,
igorek44
igorek44

Category:

Квантовая механика

Квантовая механика — область физики, рассматривающая поведение квантовых систем. Зародилась в начале двадцатого века, по определению является крайней противоположностью общей теории относительности. Состоит из МАТАН, СРАЧ, РАЗРЫВ ШАБЛОНА и КОТ ШРЕДИНГЕРА, за что её и прозвали «Пикассо физики».

С квантовой механикой тесно связаны такие процессы как сверхпроводимость, сверхтекучесть и сверхтеплопроводность, практическая реализация которых, как утверждает анонимус, позволит в ближайшем будущем создать всякие бластеры, флипы, телепорт, антигравитацию и прочие прелести, которые мы видели в своих любимых и не очень фантастических фильмах.
Содержание
[убрать]

* 1 Предыстория
o 1.1 Истоки
o 1.2 Чёрное тело — на выход!
o 1.3 Красная граница
o 1.4 Волносрач
o 1.5 Собственно сабж
* 2 Сферический квантмех в вакууме
o 2.1 Принцип неопределённости Гейзенберга
o 2.2 Двухщелевой опыт
o 2.3 Вероятностный характер предсказаний и роль наблюдателя в природе
o 2.4 Квантовая нелокальность
* 3 Квантосрач
o 3.1 Эйнштейн vs квантовые механики
o 3.2 ЭПР-парадокс
o 3.3 Неравенство Белла
o 3.4 Квантовая сцепленность
* 4 Квантование поля. Грависрач.
* 5 Интерпретации квантовой механики
* 6 Атсрал
* 7 Состояние на данный момент
* 8 Мемы и высеры
* 9 См. также
* 10 Ссылки
* 11 Примечания

Был этот мир кромешной тьмой окутан; Да будет свет! — и вот явился Ньютон. Но сатана недолго ждал реванша — Пришел Эйнштейн — и стало все, как раньше…
»
— А. Поуп, Дж. Сквайр (перевод С. Маршака)

Вы таки не поверите, но ещё эдак за тысячу лет до нашей эры некоторые истинно арийские британские ученые фантазировали на означенную тему. Картина мира несильно 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:


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».

Классический механик на фоне волн частиц фона

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 тысячи градусов светится красным, а до 9000 — светло-голубым. Ан нет, на этом простейшем вопросе сломало себе мозг немало физиков девятнадцатого 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. Ради пафоса проблему обозвали #ультрафиолетовая_катастрофа, и задумались.

Первым торкнуло Макса Планка. В 1900 году он подогнал решение 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. В самом деле, полость чёрного тела замкнута, поэтому в стационарном состоянии там могут существовать лишь стационарные стоячие электромагнитные волны. Чтобы так получилось, они своими узлами должны лежать на границах черного тела, а следовательно, состоять из целого числа полуволн. Смущал тот факт, что энергия основной полуволны не могла быть любой, а должна была быть кратной, по предположению Планка, некоей малой величине, а минимальная энергия, которую может нести волна, пропорциональна её частоте. Планк был первым, чей разум пострадал от квантовой физики и до конца жизни не верил в эту ересь. Однако формула работала с потрясающей точностью, и за это открытие он получил Нобелевскую премию в 1918 году.

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.

Параллельно русский учёный Столетов изучал фотоэффект — испускание (внешний фотоэффект) или перераспределение по энергетическим уровням (внутренний фотоэффект) электронов под воздействием электромагнитного излучения (проще говоря — света) с увеличением проводимости вещества. Как положено в классической физике, сила фототока зависела от интенсивности облучения (амплитуды волны). НО! Столетов догадался поменять в схеме плюс на минус и обнаружил, что если понемногу увеличивать напряжение, то фототок 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 пять 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.

Признак первосортных мозгов — это умение держать в голове две взаимоисключающие мысли одновременно, не теряя при этом способности мыслить
»
— Фрэнсис Скотт Фицджеральд

Рассматривать свет состоящим из потока частиц предложил ещё Ньютон. Ему оппонировал голландский физик Христиан Гюйгенс, утверждавший, что свет — это волна. В начале девятнадцатого века 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 предположил, что корпускулярно-волновой дуализм свойственен не только фотонам, но и любой микрочастице. Это принесло ему эту вашу Нобелевскую премию 1929 года и степень доктора философии(!)[1]. 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.
Частицы смотрят на тебя как на крупное, статистически детерминированное тело

Дело в том, что 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 (точнее, оно таки возможно, но в не слишком сильных полях им можно пренебречь), 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 электрончиках (Эффект Комптона).

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 Томпсоновская булка с изюмом, как думали раньше. Атом состоит из мелкого ядра, на большом (относительно размера ядра) расстоянии от которого нещадно носятся электроны (планетарная модель атома). Открытие было настолько диссонирующим, что Резерфорд молчал в тряпочку аж джва года, произведя 9000 измерений, повторных измерений, проверок измерений и проверок проверок измерений. Дело в том, что согласно электродинамике, электрон на орбите обязан излучать (движение по любой замкнутой траектории по определению ускоренное, что приводит к возникновению излучательных членов в уравнениях Максвелла), 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 десять наносекунд всему миру должен наступить лютый, яростный, негроебический, леденящий душу пиздец. Но тут пришел Нильс Бор — ученик, кстати, и подмастерье Резерфорда — и сказал, мол, давайте мы не будем выебываться, а предположим, что чего-то ещё не знаем и пиздец пришлось отложить на неопределенное время.

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.

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 Шрёдингер — она давно была создана каким-то малоизвестным математиком, позже убившим себя апстену в раздумьях: «Для чего же нужна эта хуйня?» Эрвина же интересовал «принцип наименьшего энергетического пути aka принцип наименьшего действия Гамильтона» — 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 как в отношении волны света, распространяющейся в неравномерной оптически среде, так и для электрического тока.

Шрёдингер отметил, что формула описывает именно этот принцип для распространения волн. Первоначально порождённый сабж был поименован «волновой механикой», в результате позднего скрещивания которой с КМ Бора и Планка, а также с «матричной механикой» Гейзенберга, в 1925 родилось современное, нерелятивистское 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»[2] — вообще-то на научных конференциях как бы не принято аргументировать свою позицию видениями. Эйнштейна после этого к квантам старались не подпускать… Но не удалось.

Тоже Гейзенберг. Смотрит как-то неопределённо.

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).

…в теоретической физике нам удается объяснить то, что мы уже не можем себе представить
»
— Лев Давидович Ландау

Пугающие факты квантовой физики

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 ещё 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 все начинают всё понимать. Но ненадолго.

И, дабы окончательно добить кэпа и К°: если провести наблюдение, когда квант уже прошёл через щели, но ещё не попал на экран, хитрожопый квант опять, как при запуске, становится частицей. Квант ведёт себя так, будто вернулся в прошлое (sic!) и прошёл не через две щели, а только через одну, как будто никогда и не проявлял свойств волны (подробнее луркать по запросу «эксперимент с отложенным выбором»).

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 двадцати 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.

Однако чем больше система, тем выше её подверженность внешним воздействиям. В крупных комплексных системах, состоящих из многих миллиардов атомов, декогеренция (процесс переведения суперпозиции в смесь) происходит почти мгновенно, и по этой причине широко известный всем кот Шрёдингера не может быть одновременно мертвым и живым на каком-либо поддающемся измерению отрезке времени. Отака хуйня, малята.

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 у некоторых товарищей появился повод, улюлюкая, прогнать ссаными тряпками ненавистного им демона Лапласа, который убивал всю их философию.

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 ключевой, поскольку, согласно квантовой теории, именно наблюдение создаёт или частично создаёт наблюдаемое.

Если квантовая механика вас не потрясла до глубины души, значит, вы её еще не поняли.
»
— Нильс Бор
Сферический квант в вакууме, с точки зрения классической физики.

Свойство нелокальности квантовой теории вызывает существование корреляций между состояниями запутанных подсистем исходной системы, на каких бы расстояниях друг от друга они ни 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.
Subscribe

Recent Posts from This Journal

Buy for 100 tokens
Buy promo for minimal price.
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments