10 Незвичайних явищ, уявних експериментів і парадоксів квантової механіки - фактрум
1. Кот Шредінгера
У 1935-му році фізик Ервін Шредінгер провів уявний експеримент, який отримав згодом назву «Кот Шредінгера» - висунута ним теорія послужила предметом широкої дискусії в наукових колах і зараз застосовується в квантових обчисленнях і в квантової криптографії.
Шредінгер поставив собі за мету довести, що, при спостереженні за макроскопічними системами, що виникає в таких випадках невизначеності можна уникнути, здійснюючи пряме спостереження за об'єктом. Короткий виклад його умовиводів така: якогось кота потрібно помістити в герметичну коробку з розташованої усередині пекельною машиною, яка при певних умовах випускає синильної газ, отруйний для живих організмів. У тій же коробці знаходиться дуже мала кількість радіоактивної речовини, і один атом може або розпастися протягом наступної години, або з тією ж часткою імовірності не розпастися.
Якщо в цей час не робити ніяких прямих спостережень, тобто не відкривати коробку з котом, то можна припустити, що кіт весь цей час може як залишатися живим, так і загинути. Відповідно, поки експеримент не підтверджений, кіт залишається одночасно і живим, і мертвим - до тих пір, поки ми не відкриємо коробку і не побачимо результат.
Суть в тому, що в природі такого не буває, і це стосується як живих організмів, так і атомів - ядро може бути або розпалися, або не розпалася, а проміжний стан неможливо. Однак до здійснення прямого спостереження атом і кіт перебувають в стані, званому суперпозицией, - інакше кажучи, в двох станах одночасно.
2. Парадокс Клейна
Уявіть завдання: релятивістську частку необхідно перемістити через потенційний бар'єр, при цьому потенційна енергія частинки менша за висоту бар'єру - іншими словами, енергії для подолання бар'єру стандартним шляхом частці не вистачить. З точки зору класичної механіки таке явище неможливо, однак, згідно з квантовою механікою частка все ж може подолати бар'єр.
Точніше, не зовсім так: справа в тому, що при залученні певної енергії при сильному полі відбудеться народження другої, парної частки, або античастинки, яка виникне саме по іншу сторону бар'єру.
3. Квантовий парадокс Зенона
Якщо постійно наглядати за нестабільної квантової часткою, то вона ніколи не зможе розпастися, іншими словами, спостерігаючи за часткою, ми так чи інакше вносимо зміни в її стан, наприклад, повідомляємо їй енергію або додатковий імпульс: чим стабільніше стан частинки, тим з більшою ймовірністю вона розпадеться.
Вперше ефект описав Алан Тьюринг ще в 1957-му році, однак на практиці це явище вдалося поспостерігати тільки в 1989-му - експеримент провів Девід Вайнленд: як тільки на атоми впливали за допомогою ультрафіолетового випромінювання, їх перехід в дворівневе (збуджений) стан пригнічувався.
4. Корпускулярно-хвильовий дуалізм
Принцип цієї концепції полягає в тому, що об'єкт може проявляти одночасно як хвильові властивості, так і корпускулярні: наприклад, світло являє собою хвилі певної довжини, в багатьох випадках проявляють електромагнітні властивості, але точно так само світло можна уявити і в вигляді елементарних частинок - фотонів , тобто світло проявляє і корпускулярні властивості.
З точки зору звичайної фізики це не логічно, проте в квантовій фізиці така ситуація допустима і, більш того, у випадку зі світлом корпускулярні і хвильові властивості взаємно доповнюють один одного.
Зараз корпускулярно-хвильовий дуалізм здебільшого є предметом теоретичного інтересу, оскільки квантові об'єкти не можна назвати ні частками, ні хвилями в класичному розумінні.
5. Квантова заплутаність
Принцип квантової заплутаності полягає в тому, що при взаємодії тільки на одну частинку з певної групи частинок змінюється стан не тільки того об'єкта, на який впливають безпосередньо, але і всіх інших об'єктів цієї групи. Отже, об'єкти пов'язані між собою, і їх зв'язок залишається постійною навіть тоді, коли вони перебувають на значній відстані один від одного або в абсолютно різних умовах.
Для прикладу візьмемо пару фотонів, що знаходяться в заплутаному стані: якщо змінити спіральність спина першого фотона з позитивного на негативний, то спіральність другого фотона завжди буде негативною. Якщо ж знову змінити спіральність першого фотона на негативну, то другий фотон придбає позитивну спіральність.
6. Квантова телепортація
Телепортація в квантовій механіці значно відрізняється від телепортації, описаної в фантастичних творах - при квантової телепортації неможливо передати на певну відстань енергію або речовина. В цьому випадку передається стан квантової частинки при наявності іншої, заплутаною частки: в точці передачі цей стан руйнується, а в точці прийому - відтворюється.
7. Надтекучість
Якщо температуру речовини в стані квантової рідини охолодити до стану, близького до абсолютного нуля, то речовина придбає здатність протікати через вузькі канали на кшталт, наприклад, капілярів, без тертя.
Наукове обгрунтування явища таке: атоми речовини в стані квантової рідини (наприклад, таку форму часто приймає гелій-3) - бозони, і з точки зору квантової механіки будь-яке число її частинок може перебувати в однаковому стані. Чим ближче температура до абсолютного нуля, тим більше число атомів знаходиться в одному енергетичному стані, і при наднизьких температурах енергія зіткнень може бути дуже мала, так що розсіювання енергії в зазорах між атомами не відбудеться - оскільки енергія не розсіюється, то і тертя не буде.
До недавнього часу вважалося, що подібний стан характерно тільки для рідкого гелію, проте не так давно виявилося, що воно притаманне і твердого гелію, а також інших речовин, основу яких складають бозони, температура яких близька до абсолютного нуля.
8. Надпровідність
Надпровідність - квантовий ефект, при якому електричний опір частинок дорівнює нулю при досягненні критичної температури (близької до абсолютного нуля), іншими словами, електричний струм проходить через подібні матеріали, практично не зустрічаючи опору.
Явище отримало широке практичне застосування: зокрема, існують так звані надпровідники - як правило, кераміки, також до них можна віднести рідкий азот, температура якого - 77 ° К.
9. Теорема про заборону клонування
Згідно квантової теорії, створення точної копії будь-якого невідомого квантового стану неможливо. Клонування в класичному розумінні являє собою точну копію, але в квантовій механіці під клонуванням мається на увазі створення стану, що складається з декількох вихідних станів двох і більше груп частинок.
Як відомо, групи частинок можуть бути зчеплені між собою, і енергія між ними може бути взаємозалежна. Проте, передати енергетичний стан з абсолютною точністю від однієї групи до іншої неможливо, оскільки це суперечить принципам квантової заплутаності, однак створення в повному обсязі ідентичної копії все ж можливо.
10. Парадокс Ейнштейна - Подільського - Розена
Уявімо, що дві частинки одночасно утворилися після розпаду вихідної частинки: відповідно до закону збереження імпульсу, сумарний імпульс одержані частинок повинен бути дорівнює імпульсу вихідної частинки. Отже, ми можемо виміряти імпульс однієї з утворених частинок і за простою формулою розрахувати імпульс другий частки, що утворилася одночасно з нею. Далі у нас з'являється можливість виміряти імпульс другий частки, який ми вже розрахували, і таким чином отримати для неї значення двох величин, виміряти які одночасно неможливо, відповідно до законів квантової механіки.
Сподобався пост? Підтримай Фактрум, натисни: