БИЛИМ БУЛАГЫ

Квантовая механика

Наверняка вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. Квантовая механика — это часть квантовой физики. Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира, в котором мы живём. Нас окружают тела, которые мы видим, можем оценить их месторасположение, размеры, скорость и траекторию движения. Но есть микромир, в котором мы имеем дело с совсем другими размерами объектов. Чтобы понять, с насколько малыми размерами частиц имеет дело квантовая механика, попробуем прикинуть, сколько места в пространстве занимают атомы. Размеры атомов, так же как и масса, чрезвычайно малы и составляют около 1 нм (нанометра), или 1 • 10−9 м. Если увеличить атом до размера точечки диаметром 0,1 мм, то буквы, которые вы сейчас читаете, станут высотой в 500 метров или полкилометра. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с квантовыми частицами (электронами и фотонами) в микромире, как же они движутся и каким законам подчиняются.

• 
• 
• 
• 
• 

Объекты макромира. Тела, которые нас повсюду окружают, могут находиться только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам.

Корпускулярно-волновой дуализм

«Корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает, двойственность природы. Это когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, тогда они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.

Квантовая механика говорит нам, что любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.

Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.

Чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет, и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.

Объекты микромира в формате 3D, которые в реальной жизни можно рассмотреть только под микроскопом!

• 
• 
• 
• 
• 

Вероятностный характер положения квантовых частиц

Каждая частица (по теории вероятности) обладает шкалой вероятностей находиться в том или ином положении. И когда мы отворачиваемся, а затем снова поворачиваемся, то можем застать частицу в любом из ее возможных положений именно согласно шкале вероятности. По исследованию частицу искали в разных местах, затем прекращали наблюдать за ней, а затем снова смотрели, как изменилось ее положение. Результат был просто ошеломительным. Подведя итоги, ученые действительно смогли составить шкалу вероятностей, где может находиться та или иная частица. Эту теорию никто еще не смог опровергнуть, поэтому она является, как ни странно, самой правильной.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной загадкой для учёных-физиков.

3. Хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера.

В начало

Глоссарий

• Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (фотона или электрона).
• Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной.
• Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят — квант света, квант энергии или квант поля.
• Квантовая механика – это раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.
• Корпускулярно-волновой дуализм - означает двойственность свойств. Когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.
• Суперпозиция квантового объекта означает то, что он может находиться на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно.
• Фотон — элементарная частица, летящая со скоростью света.

В начало

Полезные ссылки

Здесь вы найдете много полезных и нужных формул, таблиц и справочной информации. http://mozgan.ru/Geometry#block1

Укротители кванта. Что день грядущий нам готовит. https://www.youtube.com/watch?v=EqAYSvxDny0

В начало

Библиография

• Квантовая механика для «чайников». https://zaochnik.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/
• Квантовая физика для чайников. https://blogs.elenasmodels.com/ru/kvanotaja-fizika-dlya-chainokov/
• Квантовая физика простыми словами http://alenakraeva.com/new-digital-world/kvantovaya-fizika-prostymi-slovami-dlya-chajnikov/
• Физика микромира http://nuclphys.sinp.msu.ru/cur/microcosm.htm
• Электронные облака – орбитали http://www.alhimik.ru/teleclass/glava2/gl-2-5.shtml
• https://zaochnik.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/
• http://blogs.elenasmodels.com/ru/kvanotaja-fizika-dlya-chainokov/

В начало

Загадочные законы микромира

З

агадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира - учёные хотят поставить на службу нашему с вами макромиру, миру, в котором мы живём. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками и мысленных экспериментах, а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора. Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы. Мы с вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой! Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера. Квантовый компьютер нужен человечеству не для просмотра видео или общения в социальных сетях. С этим прекрасно справляется обычный компьютер. Квантовый компьютер нужен для решения задач, где для получения правильного ответа необходимо перебрать большое количество вариантов. Это поиск по огромным базам данных, моментальное прокладывание оптимального маршрута, подбор лекарств, создание новых материалов и множество других важных для человечества задач. В качестве наглядных примеров можно привести 2 задачи, которые в математике называются задачами рюкзака и коммивояжёра.

Задачи и примеры

Задача коммивояжёра.

Представьте, что вы завтра едете в отпуск и за сегодня вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача. Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!

Задача рюкзака.

Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.

Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения. Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров. Почему боятся появления квантового компьютера?

Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).

Пример

Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут. Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит ваше большое число на введенный вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты. Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан.

Пример-ассоциация из нашего макромира

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения — орёл или решка. Но как только вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон. Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Мир электрона

[развернуть]

Валерий Брюсов. Мир электрона (1922)

Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайный
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья
Творятся токи новых сил,
Кричат, в мечтах самовнушенья,
Что бог свой светоч загасил!

Шутки и анекдоты

На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов.

Полицейский останавливает квантового физика.

- Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?

- Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь

- Как там звучит та песня про квантовую механику?

- Какая?

- Там что-то про множественные реальности. И ещё о том, что наблюдатель формирует наблюдаемое.

- «Я оглянулся посмотреть, не оглянулась ли она, чтоб посмотреть, не оглянулся ли я»?

- Точно.

Пройди тестирование