этот запутанный квантовый мир
#квантовая_механика #эксперимент #ЭПР #парадокс
когда-то давно, я писал подобную статью, но она получилась уж совсем простой обо всем и с очень большим количеством «копи-пасты». я её прочитал опечалился, потом исправил ошибки и немного причесал, перемотал дату на 8 лет. вы можете её прочитать, там описаны основные частицы с которыми мы обычно сталкиваемся, т.е. использовать её как введение. а я по пробую написать что-то более специфичное и поподробнее.
квантовая механика обычно взывает некоторый сбой в восприятии т.к. кажется контринтуитивной. на самом деле это не совсем так - тут скорее дело привычки. действительно в повседневной жизни мы привыкли, что объекту можно сопоставить например траекторию его движения, в квантовом же мире понятие траектории не имеет смысла, а объекты описываются волновой функцией.
если коротко волновая функция описывает состояние или некоторое количество состояний объекта. грубый пример: у кота может быть несколько состояний: спит, мурлыкает, куда-то бежит, ест. пусть в других состояниях кот находится не может. т.е. если вы произведете измерение кота, т.е. просто на него посмотрите, вы всегда найдете кота в одном из четырех состояний, а не смотря на кота вы можете сказать, что кот находится в каком-то одном из этих состояний.
еще пример: представим планетарную модель атома, для определенности водорода. так атом уже давно никто не представляет, но для демонстрации. если электрон маленький шарик (планетка) то с точки зрения классической механики мы всегда знаем в какой точке пространства он находится: повернулся на 10 градусов, повернулся на 20 у него есть орбита...
квантовая механика не говорит про орбиту, орбита это то место в котором электрон можно найти с наибольшей вероятностью.
еще труднее представить что такое сам электрон. это маленький шарик или что-то еще? начнем с того, что электрон элементарная частица, т.е. не имеет структуры. прямую аналогию из нашего быта найти как минимум сложно.
если рассматривать двух щелевой эксперимент Юнга. по какой траектории пролетел электрон? вопрос имеет смысл, только тогда, если принять, что электрон это маленький шарик. но тогда он либо пролетит через щель либо будет отброшен назад. картинка распределения частиц на экране будет выглядеть полоской (двумя полосками). что интуитивно понятно.
но вся беда в том, что в экспериментах получали интерференционную картину даже в том случае, когда пускали электроны по одному. т.е. частица проявляет волновые свойства. картина появлялась конечно не сразу, но если набрать довольно большую статистику - видели интерференционную картину. что конечно невозможно, если бы у электрона была бы траектория. т.е. он вел бы себя как маленький шарик.
так что интерферирует в случае электрона - электрон это же не фотон, которому довольно давно стали приписывать волновые свойства. электрон все таки имеет какую-то массу. а интерферируют вероятности. кто-то вспомнит про волны де Бройля.
тут еще смешной момент: если попытаться подсмотреть за электроном через какую щель он пролетел, электрон начинает вести себя как маленький шарик т.е. как частичка. этот эффект принято называть эффектом наблюдателя. частенько наблюдателю приписывают некие магические свойства связанные с сознанием.
на деле можно обойтись и без этого. что значит подсмотреть? это означает измерить. а что значит измерить? это означает так или иначе провзаимодействовать с наблюдаемым объектом. говорят, что при взаимодействии произойдет коллапс волновой функции. т.е. функция перейдет к одному из своих состояний.
это отдельный и интересный вопрос. например говорят о копенгагенской интерпретацции квантовой механики. в ней при взаимодействии микрообъекта с измерительным прибором происходит редукция волновой функции.
такая интерпретация нравится далеко не всем. и сейчас популярность набирает другая более интуитивно понятная много мировая интерпретация квантовой механики. в этой интерпретации понятие «запутанность» играет важную роль.
поговорим об этом более подробно. есть такой эксперимент Эйнштейна Подольского Розена. суть его в том, чтобы измерять состояние связанных (запутанных) частиц. эксперимент мысленный. если рассмотреть его подробно, то можно обнаружить в нем ряд логических не стыковок, но обо всем по-порядку.
например если частицы A и B образовались в результате распада частицы C. тогда по закону сохранения импульса их импульсы связаны т.е. их сумма равна импульсу частицы С.
теперь если измерить импульс частицы A, мы можем вычислить (если подменить словом «измерить» все еще больше запутается) импульс частицы B не прибегая к каким либо взаимодействиям с частицей B. а измерить у B можно её координату.
таким образом мы получили точно два одновременно не измеряемых параметра для частицы B - импульс и координату. эти параметры связаны между собой сотношением неопределнности Гейзенберга. суть которого в том, что невозможно измерить точно две характеристики частицы: чем точнее измеряется одна, тем менее точно измеряется другая.
похожий эксперимент можно провести и с другими характеристиками частиц. например спином. спин часто ассоциируют с реальным вращением, но это всего лишь метафора. для спина тоже будут действовать законы сохранения, а для проекций спина будет справедлив принцип неопределенности Гейзенберга.
этим экспериментом Эйнштейн хотел показать неполноту квантовой механики, показать что вероятностное описание неполное, а если знать все параметры частицы, то описание для частицы станет полностью определенным (детерминированным).
в викепедии можно прочитать объяснение этого парадокса. суть его в том, что одновременного измерения и не происходит, характеристики частицы измеряются поочередно, не нарушая принцип неопределенности, а в само понятие «измерение» вкладывается разный смысл. кроме того частицы связанные т.е. если вы измерите импульс у одной, вторая тоже перейдет в состояние с известным импульсом. т.е. измерение не будет одновременным.
вот тут вы наверное кое что заметили. это «кое что еще» Эйнштейн назвал «жутким дальнодействием». действительно пусть мы на этот раз измеряем спин у одной из запутанных частиц. частица до измерения находится вроде как в суперпозиции состояний спина.
как говорится все по-понятиям - все как мы любим в квантовой механике: говорим о вероятности у частицы конкретного спина. но вот мы произвели измерение состояния спина у одной из частиц. выяснили для неё конкретное состояние спина. но самое интересное, что мы повлияли и на вторую частицу. которая тоже находилась в суперпозиции состояния спина. но вот в чем проблема: она тоже теперь находится в состоянии с известным спином.
на спин будут распространятся те же законы сохранения. если скажем суммарный спин 0, то у одной частицы это будет один спин, а у другой противоположный. т.е. так чтобы в сумме получился наш нолик. по-другому быть вроде бы как и не должно.
сам Эйнштейн считал, что все уже предопределено. т.е. с самого начала у одной частицы один спин, а другой противоположный. это как с перчатками положенными в разные коробки. не открывая коробку мы можем сказать, что там левая или правая перчатка. открыв одну из коробок мы узнаем какая перчатка находится в этой коробке, значит в другой коробке другая перчатка.
но Эйнштейн ошибался. в конце 60-х годов прошлого столетия были поставлены первые практические эксперименты по определению неравенств Белла. эксперимент переводил претензии Эйнштейна в практическую плоскость и должен был доказать или опровергнуть концепцию скрытых параметров. эксперименты доказали верность математических основ квантовой механики из которых следовало существование запутанных квантовых состояний.
т.е. информация какой спин должен быть у частицы партнера действительно «передается» мгновенно, т.е. быстрее скорости света, и кстати не очень понятно в какой момент это происходит. тут стоит подчеркнуть, что передачи информации в обычном понимании этого слова не происходит. это означает что у вас не получится создать квантовое устройство передачи информации на этом эффекте, с бесконечной скоростью передачи данных. но тем не менее эффект используется в квантовой телепортации, квантовой информатике.
к слову телепортация это не то, что в фантастических фильмах. материи не передается. это передача квантового состояние одной частицы другой. запутанные частицы уже находятся в точках приема и отправления. а состояние третей частицы разрушается в точке оправления в ходе измерения и воссоздается в точке приема. информация же передается по обычным каналам связи. разрушение квантового состояния тоже принципиально - есть такая теорема о запрете клонирования.
так что ужасающие дальнодействие существует. у меня нет внятного объяснения этого эффекта - может у вас получится?