За разлика от много други области на физиката, квантовата механика, теорията, която управлява микросвета на атомите и частиците, е странна и контраинтуитивна, но и интригуваща.
Когато през 2022 г. Нобеловата награда за физика бе присъдена на Ален Аспект (Alain Aspect), Джон Клаузер (John Clauser) и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) за изследвания, хвърлящи светлина върху квантовата механика, това предизвика вълнение и дискусии.
Но дебатите за квантовата механика често могат да се объркат благодарение на редица устойчиви митове и погрешни схващания.
Ето четири от тях, обяснени в статия на The Conversation от двамата професори по физика в Университета "Хериот-Уат" - Алесандро Федрици (Alessandro Fedrizzi) и Мехул Малик (Mehul Malik):
1. Една котка може да бъде и жива, и мъртва
Ервин Шрьодингер вероятно никога не би могъл да предвиди, че неговият мисловен експеримент - котката на Шрьодингер - ще придобие статут на интернет мем през 21 век.
Той предполага, че една нещастна котка, заклещена в кутия с прекъсвач, задействан от случайно квантово събитие - например радиоактивен разпад - може да бъде жива и мъртва едновременно, стига да не отворим кутията, за да проверим.
Отдавна знаем, че квантовите частици могат да бъдат в две състояния - например на две места - по едно и също време. Наричаме това суперпозиция.
Учените са успели да покажат това в известния експеримент с двоен процеп, при който една квантова частица, например фотон или електрон, може да премине едновременно през два различни процепа в стена. Откъде знаем това?
В квантовата физика състоянието на всяка частица е и вълна. Но когато изпратим поток от фотони - един по един - през процепите, той създава модел на две вълни, които се наслагват една с друга на екрана зад процепа, показвайки познатата ни интерференчна картина.
Щом като при преминаването си през процепите отделен фотон не е имал други фотони, с които да интерферира, това означава, че той трябва да е преминал едновременно през двата процепа - интерферирайки сам със себе си (изображенията по-долу).
 Експериментът с двойния процеп демонстрира един от основните принципи на квантовата физика - че точковите частици също са вълни. В стандартната версия на експеримента, частиците преминават през два процепа в непроницаема бариера. На екрана от другата страна се появява интерференчна картина, типична за вълните. Гребенитe и падините, излизащи от всеки прорез, взаимно се подсилват или гасят, докато се припокриват като създават на екрана редуващи се ленти с висока и ниска плътност на частиците. |
 Илюстрацията от fr.wikipedia показва промяната на вълновата функция на електрона при преминаването му през двата процепа. Степента на сивото представя плътността на вероятността на присъствието на електрона. Действителният размер на електрона всъщност много по-малък от областта на вероятността от присъствието му. Вижда се ясно, че електронът “интерферира със себе си”: интерференчните ленти са ясно забележими при преминаването през двата процепа както след преградата, така и преди нея. |
За да се получи това обаче, състоянията (вълните) в суперпозицията на частицата, преминаваща през двата процепа, трябва да са "кохерентни" - да имат добре определена връзка помежду си.
Тези експерименти със суперпозиция могат да се правят с обекти с все по-голям размер и сложност.
Един от известните експерименти на Антон Цайлингер през 1999 г. демонстрира квантова суперпозиция с големи молекули въглерод-60 или фулерени, при които атомите са подредени във формата на куха топка.
И така, какво означава това за нашата бедна котка? Наистина ли тя е едновременно жива и мъртва, докато не отворим кутията?
Очевидно е, че котката няма нищо общо с фотон в контролирана лабораторна среда, тя е много по-голяма и по-сложна.
Всяка съгласуваност, която огромното количество атоми, съставляващи котката, могат да имат помежду си, е изключително краткотрайна.
Това не означава, че квантовата кохерентност е невъзможна в биологичните системи, а само, че общо взето не може да се прилага за големи същества като котките или човека.
2. Прости аналогии могат да обяснят вплитането
Вплитането е квантово свойство, което свързва две различни частици, така че ако измерим едната, автоматично и мигновено узнаваме състоянието на другата - независимо колко далеч са една от друга.
Обичайните обяснения за него обикновено са свързани с ежедневни обекти от нашия класически макроскопичен свят, като зарове, карти или дори чифт чорапи с различен цвят.
Представете си например, че казвате на ваш приятел, че сте поставили синя карта в един плик и оранжева карта в друг. Ако вашият приятел вземе и отвори един от пликовете и намери синята карта, той ще разбере, че имате оранжева карта.
Но за да разберем квантовата механика, трябва да си представим, че двете карти в пликовете се намират в обща суперпозиция, което означава, че те са едновременно оранжеви и сини (по-точно оранжеви/сини и сини/оранжеви).
Отварянето на единия плик разкрива един цвят, определен на случаен принцип. Но отварянето на втория все пак винаги разкрива противоположния цвят, защото той е "призрачно" свързан с първата карта.
Алберт Айнщайн се опитал да обясни това с класическа интуиция, като предположил, че картите може да имат скрит, вътрешен набор от инструкции, който им казва в какъв цвят да се появят при определен въпрос.
Той също така отхвърля очевидното "призрачно" взаимодействие между картите, което привидно им позволява да си влияят мигновено, което би означавало комуникация, по-бърза от скоростта на светлината, нещо забранено от теориите на Айнщайн.
Впоследствие обаче обяснението на Айнщайн е отхвърлено от теоремата на Бел (теоретичен тест, създаден от физика Джон Стюарт Бел) и експериментите на Нобеловите лауреати от 2022 г. Идеята, че измерването на едната вплетена карта променя състоянието на другата, не е вярна.
Квантовите частици просто са загадъчно свързани по начин, който не можем да опишем с ежедневната логика или език - те не комуникират, като същевременно съдържат скрит код, както е смятал Айнщайн.
Затова забравете за ежедневните обекти, когато става въпрос за вплитане.
3. Природата е нереална и "нелокална"
Често се казва, че теоремата на Бел доказва, че природата е "нелокална", че даден обект не се влияе пряко само от непосредственото си обкръжение. Друго често срещано тълкуване е, че тя предполага, че свойствата на квантовите обекти не са "реални", че те не съществуват преди измерването.
Но теоремата на Бел ни позволява да кажем, че квантовата физика означава, че природата не е едновременно реална и локална, ако приемем едновременно няколко други неща.
Тези допускания включват идеята, че измерванията имат само един резултат (а не множество, може би в паралелни светове), че причините и следствията текат напред във времето и че не живеем във вселена, в която всичко е предопределено от зората на времето.
Въпреки теоремата на Бел природата може и да е реална и локална, ако се допусне нарушаване на някои други неща, които смятаме за здрав разум, като например движението на времето напред. А по-нататъшните изследвания, надяваме се, ще стеснят големия брой потенциални интерпретации на квантовата механика.
Въпреки това повечето варианти, които са на масата - например времето, течащо назад, или отсъствието на свободна воля - са поне толкова абсурдни, колкото и отказът от концепцията за локална реалност.
4. Никой не разбира квантовата механика
Един класически цитат (приписван на физика Ричард Файнман, но в този си вид перифразиращ и Нилс Бор) предполага: "Ако си мислите, че разбирате квантовата механика, значи не я разбирате."
Това мнение е широко разпространено в обществото. Предполага се, че квантовата физика е невъзможно да бъде разбрана, включително от физиците. Но от гледна точка на XXI век квантовата физика не е нито математически, нито концептуално особено трудна за учените.
"Ние я разбираме изключително добре, до такава степен, че можем да предсказваме квантовите явления с висока точност, да симулираме изключително сложни квантови системи и дори да започнем да изграждаме квантови компютри", казват проф. Алесандро Федрици и проф. Мехул Малик.
Суперпозицията и вплитането, когато се обясняват на езика на квантовата информация, не изискват нищо повече от математиката в средното училище. Теоремата на Бел изобщо не изисква квантова физика. Тя може да бъде изведена в няколко реда с помощта на теорията на вероятностите и линейната алгебра.
Истинската трудност може би се крие в това как да се съчетае квантовата физика с нашата интуитивна реалност. Това, че не разполагаме с всички отговори, не пречи на учените да постигат по-голям напредък в областта на квантовите технологии.
И може би един ден ще помогнат да се съчетаят квантовите странности с нашия опит за реалността.
Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons. Прочетете оригиналната статия.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари