1. Світло - це частинка або хвиля?
2. Що значить «частка поводиться як хвиля»
3. ефект спостерігача
4. Що спільного у світла і матерії
5. «Заткнись і вважай!»
6. «Соціологія» квантів

Прискорювач часток - пристрій, здатний за допомогою електромагнітного поля розганяти потоки заряджених частинок до швидкостей, близьких до швидкостей світла. За допомогою таких пристроїв вчені змогли заглянути в світ взаємодії частинок. Найвідомішим і великим прискорювачем є Великий Адронний Коллайдер (ВАК). CERN / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Ми вирішили попросити деяких захоплених студентів і молодих дослідників розповісти нам, що вони вивчають. Першу невелику лекцію для нас прочитав магістр кафедри теоретичної фізики ЯрГУ ім. П.Г. Демидова Михайло Калікина. Він розповів нам про малозрозумілою навіть для фізиків світі квантів.

Інші лекції серії:

Цей божевільний квантовий світ. Частина 2: Спін

Цей божевільний квантовий світ. Частина 3: Квантовий число

Цей божевільний квантовий світ. Частина 4: Квантові комп'ютери

Світло - це частинка або хвиля?

Квантовий світ абсолютно, абсолютно божевільний. А божевільний він чомусь? Тому що нам, простим смертним, він здається зовсім незрозумілим і чужим. У макросвіті у нас з дитинства виробляється уявлення про те, як, що і за чим має слідувати. Однак коли люди стали вивчати квантовий світ, вони не могли зрозуміти, що з цим кошмаром робити. У звичному нам просторі є об'єкти, які можуть стикатися, трощити, падати на землю. І навіть злітати, якщо, як зауважив Архімед, буде сила, здатна їх виштовхувати - наприклад, при знаходженні в газі або рідини. У квантовому ж світі діється повне безумство, тому що там частки вели себе не так, як ми звикли, а так, як звикли вони, і це було абсолютно незрозуміло.

Тим часом існувала в оптиці одна проблема, і люди намагалися її вирішити. А саме: з'ясувати, що ж таке світло - частка або хвиля? І все до цього думали, що є тільки одна відповідь. Люди поки не знали який, але якийсь один, і до нього треба копати, копати, і знайти його, нарешті. А коли вчені залізли в квантовий світ, вони зрозуміли, що світло абсолютно точно - це і світло, і частка, і в той же час ні те, ні інше, тому що веде він себе так, як хоче він, а не так, як хочемо ми.

Тобто виявилося, що звичний нам світ поводився і як частка, і як хвиля. Однак, коли провели експерименти з одиничними частинками світла - фотонами, - вони теж вели себе як хвилі. Хоча вони у них були, звичайно, не «хвилями» в звичному сенсі. Як, наприклад, це відбувається з водою: ми бачимо, що біжить хвиля і складається з маленьких частинок води.

Що значить «частка поводиться як хвиля»

Схема проходження світлових хвиль через щілини. Коли через них проходить пучок світла, він демонструє хвильові властивості, розходячись в різні боки. Окремий квант, який, здавалося б, є часткою, проходячи через щілину, теж поводиться як хвиля. Однак оскільки він представляє собою окрему частку, він випадковим, непередбаченим чином направляється в будь-яку сторону. джерело: wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

Коли ми говоримо, що одна частинка поводиться як хвиля, ми маємо на увазі, що у неї як у хвилі розподіляється ймовірність того, як вона буде діяти. Тобто, проходячи через дві щілини, одна частинка, навіть якщо ми не направляли її в якусь конкретну щілину, а направляли просто в цю сторону, вона могла пройти як через одну щілину, так і через іншу. Вибирала вона це абсолютно самостійно, буквально, як хотіла сама.

Після того як вона пролітала через щілини, вона потрапляла нема на екран, розташований за отворами, а знову слідувала довільно. Тобто вона розподілялася на всі боки. При цьому в якісь вона потрапляла частіше, а в якісь - рідше. Іншими словами, якщо ми будемо запускати частки одну за однією, то вони самі виберуть напрямок свого руху.

І нормальних вчених, які звикли, що є причина, є наслідок, є взаємозв'язок, це просто зводило з розуму. Вони не розуміли, що взагалі відбувається, чому одна частинка сама для себе якимось чином вирішує, куди їй піти.

ефект спостерігача

Тоді ще з'явилася така річ, як ефект спостерігача. Так, якщо поставити в одну з щілин детектор, який буде розуміти, що ось пройшла частка, то він би передавав цю інформацію: «Все, ми частинки. Ти нас шукав - ми частинки. Ти нас хотів зловити як частки - ти зловив нас як частки, і ми залишимося ними далі ». Тому летіли вони, чи не розподіляючись, всюди, і навіть якісь місця ігноруючи, а потрапляли рівно за тією щілиною, в яку їх людина запускав.

Тобто, як тільки, умовно, приходить вчений і каже: «Ось я відправлю тебе сюди. Ось я детектором знайшов, що ти тут була », - частка каже:« Так, я тут була », - і летить собі далі. Раз її шукали як частку, то її і знаходили як частку. Це зводило всіх фізиків з розуму. Оскільки, якщо її не шукав як частку, то вона буде вести себе так, як доведеться. А саме: взаємодіяти з навколишнім світом як частка, але летіти і вибирати напрямок як хвиля - в те місце, в яке їй подобається.

Що спільного у світла і матерії

Але якби ж то ще світло - до нього всі звикли. Але ж і є якісь звичні нам частини матерії, наприклад, шматочок шоколаду. Можна пустити його як кулю, і він буде летіти вперед. І все розуміли, що ось - є шоколад, та річ, яку можна помацати, понюхати, як-то взаємодіяти з нею, а є світло - незрозуміло що, летить неймовірно швидко і представляє з себе щось особливе.

Так ось до такої природу світла, що вони хвиля, і частка, люди більш-менш звикли. Однак фізики помітили, що також веде себе і те, що вони звикли сприймати як частинки матерії. Тобто абсолютно по-зрадницькому поводився, наприклад, електрон, коли його запускали через ті ж самі щілини. Він теж говорив: «Ось, дивись, я як фотон. Ми з одного світу. Ми діємо однаково ». Хоча вчені абсолютно точно знали, що у електрона є маса, яку можна виміряти, а ще знали, що електрон якось пов'язаний з електрикою. Тобто це цілком собі нормальний об'єкт зі звичного світу, але, коли забираєшся глибше, на квантовий рівень, коли дивишся на нього ближче, електрон знову поводиться абсолютно по-зрадницькому, не бажаючи бути чимось звичним для фізиків.

І тоді у всіх неабияк хворіли голови через спроби це пояснити. Хтось здавався, говорив, що все це маячня, що це не можна описувати, що ми туди не підемо, а будемо жити в звичному нам фізичному світі, а в ваші квантові нетрі лізти не будемо. Хтось намагався з цим працювати. І таких сміливців навіть визнавали в науці, хоча працювати з незрозуміло чим було незрозуміло як. І це було, мабуть, одне з найбільш божевільних часів у всій історії фізики. Тоді валилося просто все. Люди не знали, як почати працювати, в який бік рухатися, як з усім тим, що вони знайшли, взаємодіяти. Тоді починали розроблятися різні математичні апарати і з'являлися різні погляди на квантові явища.

«Заткнись і вважай!»

Комп'ютерна симуляція зіткнення в прискорювачі часток. На підставі траєкторій залишкових частинок, їх швидкостей і енергій вчені отримують дані про внутрішній склад стикається частинок. Lucas Taylor / CERN / wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)

У той же час тривало активне експериментальне дослідження, оскільки спостерігати ці явища люди все-таки могли. Але насправді вчені-фізики бачили якийсь кошмар, а тому цей кошмар показували всім і намагалися все це пояснити. Наприклад, так з'явилася хвильова гіпотеза де Бройля, згідно з якою звичайної частинки можна зіставити хвилю, і розглядати її як умовну хвилю. Але вона не хвиля, а «як би» хвиля. Такою була одна зі спроб пояснити цю страшну плутанину.

А зараз це те, чим ми в фізиці активно користуємося. Ми в квантовій механіці говоримо, що це працює. Але якщо тоді вважалося, що це «як би» хвиля, то зараз ми розуміємо, що все це можна називати і хвилями, і частинками, і взагалі по-всякому. І справедливо це не з зневажливим відтінком, а справедливо абсолютно точно. Але в той же час не можна говорити, що це хвиля або частка, або ще щось певне. Ми просто говоримо, що це квантовий об'єкт. Весь цей кошмар властивостей, притаманний квантовим об'єктів, міститься в цьому визначенні - це просто квантовий об'єкт. Він ні хвиля, ні частка, і хвиля, і частка, і все це відразу, і точно - нічого з цього. Так, все виходить дуже складно.

У квантовій механіці, квантовій електродинаміці і інших областях, де вивчають кванти, в 50-х, здається, роках навіть з'явилася чудова приказка: «Заткнись і вважай!» Коли люди навчилися використовувати якісь матриці і будувати якісь рівняння, яким поведінка квантових об'єктів задовольняло, тоді виникала якась дивна математика. Чомусь при описі цілком собі звичайних частинок, для яких до цього в звичній (класичної) фізики створювалося рівняння, і все було добре, тепер рівняння робили матричних. Воно виходило складним, тому довелося вводити якісь нові оператори. Люди просто хапалися за голови і не знали, що робити.

«Соціологія» квантів

Але в підсумку вийшло так, що якщо я беру математичне незрозуміло що і виробляю якісь дії, то у мене все виходить. Більш того, я можу сказати, що в результаті з квантовим об'єктом виходить ось це, ось це і ось це. За таким же принципом навчилися працювати з можливостями, з матрицями. У всіх голова вибухала від того, що доводилося вводити якийсь новий математичний апарат, з яким майже ніхто не знав, як працювати.

Були поодинокі фахівці, які розуміли, а решта просто дивилися на них як на чудо світу. Хтось визнавав, казав: «Ось ви там молодці. Ви робите щось неймовірне. Я таке не можу, а ви можете », а хтось говорив:« Я так не можу. Ви творите щось незрозуміле. І, загалом, ви не праві, а я пішов до себе ».

В результаті фізики все-таки навчилися описувати квантові об'єкти. Адже щоб зрозуміти, що це, потрібно порівняти квантові об'єкти з тим, що звично нашого світу. А оскільки немає нічого, з чим можна порівняти наш світ і квантовий, люди кинули ці спроби, загнати кванти в рамки класичної фізики, і просто зрозуміли, що можна взаємодіяти, при цьому не намагаючись якось це визначити їх, зв'язати з нашим світом.

Вийшло так, що квантовий світ - це дійсно окремий світ, який живе разом з нашим, але впливає на нього дуже опосередковано. Тобто те, що ми бачимо навколо нас - це усереднення, як загальна статистика. Подібно до того, як в соціології окремі люди зникають в загальній масі, і з'являється тільки статистика. Людина перестає бути людиною і стає частиною групи, і для групи знайти якісь закономірності набагато простіше, ніж розібратися, що відбувається з окремою людиною.

Ось і квантова фізика вирішила піти від описів, типу «ось ця частка пострибала туди», і спроб розібратися, що там відбувається «в голові» у окремої частки. Тому що якраз з цього і почалися всі складнощі. А це не так-то просто - спробувати продовжити аналогію з соціологією і психологією, роботою однієї голови пояснити якісь принципи взаємодії різних свідомостей, і вивести якісь закономірності, які дозволили б перейти від однієї людини до всього людства.

І ось це більш-менш вийшло з квантами. Прямо як в соціології - можна знайти якісь загальні закономірності і сильно не вникати, що там відбувається в окремому свідомості. Фізики не цікавляться, чому так, чому конкретна частка поводиться той чи інший спосіб. Вони просто бачать, що вони ведуть себе так-то і так-то. Іншими словами, фізики навчилися приймати те, що вони бачать, і описувати це. Ну і якось працювати далі.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту і натисніть Ctrl + Enter.