Четыре основных заблуждения квантовой физики
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 интригующей.
Когда Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена Алену Аспе, 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 чатах, в СМИ или в научной фантастике — часто могут ввести в заблуждение из-за ряда устойчивых мифов и неправильных представлений. Их четыре.
1. Кот может быть и мертвый и живой
Эрвин Шредингер, вероятно, никогда не мог предсказать, что его мысленный эксперимент, кот Шредингера, получит статус интернет-мема в 21 веке.
Эксперимент предполагает, что незадачливое животное из семейства кошачьих, застрявшее 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.
Ученые смогли 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, он создает на экране за щелью узор из двух волн, интерферирующих друг с другом.
Поскольку у каждого фотона не было других фотонов, с которыми он мог бы мешать, когда он проходил через щели, это означает, что он должен был одновременно пройти через обе щели, мешая самому себе (изображение ниже).
Однако для того, чтобы это работало, состояния (волны) в суперпозиции частицы, проходящей через обе щели, должны быть «когерентными» — иметь четко определенные отношения друг с другом.
Эти эксперименты с суперпозицией можно проводить 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».
Так что же это значит для нашего бедного кота? Действительно ли он и жив, и мертв, пока мы не открываем коробку?
Очевидно, что кот — это не что иное, как отдельный фотон в контролируемой лабораторной среде, только намного больше и сложнее.
Любая когерентность, которую триллионы и триллионы атомов, составляющих кота, могут иметь друг с другом, чрезвычайно недолговечна.
Это не означает, что квантовая когерентность невозможна в биологических системах, просто она обычно неприменима к крупным существам, таким как коты или люди.
2. Простые аналогии могут объяснить запутанность
Запутанность — это квантовое свойство, которое связывает две разные частицы так, что если вы измеряете одну, вы автоматически и мгновенно узнаете состояние другой — независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.
Общие 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 положили синюю карточку в один конверт, а оранжевую — 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, что две карты внутри конвертов находятся в совместной суперпозиции, то есть они одновременно оранжевые и синие (в частности, оранжевый/синий и синий/оранжевый).
Вскрытие одного конверта показывает один цвет, выбранный случайным образом. Но открытие второго все равно всегда показывает противоположный цвет, потому что он «призрачно» связан с первой картой.
Можно заставить карты отображаться в другом наборе цветов, что похоже на другой тип измерения. Мы могли бы открыть конверт, задав вопрос: «Это зеленая или красная карта?».
Ответ снова будет случайным: зеленая или красная. Но что особенно важно, если карты были перепутаны, другая карта все равно всегда давала бы противоположный результат, когда задавали тот же вопрос.
Альберт Эйнштейн попытался объяснить это с помощью классической интуиции, предполагая, что карты могли быть снабжены скрытым внутренним набором инструкций, который говорил им, какого цвета появляться при ответе на определенный вопрос.
Он также отверг очевидное «жуткое» действие между картами, которое, по-видимому, позволяет им мгновенно влиять друг на друга, что означало бы общение быстрее скорости света, что запрещено теорией Эйнштейна.
Однако впоследствии объяснение Эйнштейна было опровергнуто теоремой Белла (теоретический тест, созданный физиком Джоном Беллом) и экспериментами нобелевских лауреатов 2022 года. Идея о том, что измерение одной запутанной карты изменяет состояние другой, неверна.
Квантовые частицы просто таинственным образом коррелируют способами, которые мы не можем описать с помощью повседневной логики или языка — они не общаются, но при этом содержат скрытый код, как думал Эйнштейн.
Так что забудьте о повседневных предметах, когда думаете о запутанности.
3. Природа нереальная и «нелокальная».
Часто говорят, что теорема Белла доказывает, что природа не является «локальной», 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 сказать, что квантовая физика означает, что природа не реальна и не локальна одновременно, 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 текут вперед во времени и что мы не живем во вселенной, в которой все было предопределено с незапамятных времен.
Несмотря на теорему Белла, природа вполне может быть реальной и локальной, если вы допустите нарушение некоторых других вещей, которые мы считаем здравым смыслом, таких как движение времени вперед. И мы надеемся, что дальнейшие исследования сузят огромное количество потенциальных интерпретаций квантовой механики.
Однако большинство вариантов — например, время, текущее вспять, или отсутствие свободы воли — по меньшей мере столь же абсурдны, как и 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 самим физикам. Но с точки зрения 21-го века квантовая физика не является ни математически, ни концептуально особенно сложной для ученых.
Мы понимаем это очень хорошо, до такой степени, что можем предсказывать квантовые явления с высокой точностью, моделировать очень сложные квантовые системы и даже начать создавать квантовые компьютеры.
Суперпозиция и запутанность, если их объяснять на языке квантовой информации, требуют не более чем школьной математики. Теорема Белла вообще не требует никакой квантовой физики. Ее можно вывести в несколько строк, используя теорию вероятностей и линейную алгебру.
Истинная 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 считать». (отсылка на цитату Дэвида Мермина, профессор физики в Корнельском университете — «Если бы мне пришлось подытожить в одном предложении то, что говорит мне копенгагенская интерпретация, это было бы: «Заткнись и считай!»).
К счастью для человечества, нобелевские лауреаты Аспе, Клаузер и Цайлингер отказались замолчать и продолжали спрашивать, почему. Другие, подобные им, могут однажды помочь примирить квантовые странности с нашим восприятием реальности.
Авторы: 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.