«Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы её не понимаете. » — Ричард Фейнман. Мы все же попробуем.

Самый тонкий предмет который можно увидеть невооруженным глазом, примерно равен человеческому волосу около 0,05 мм. Атомов для получения такой ширины понадобится
порядка 500 000 штук в ряд. Атом в свою очередь состоит из ядра (протон + нейтрон) и электрона. А что там дальше. А дальше наступают не только невообразимые размеры, но и появляются очень странные свойства и явления. Квантовый мир настолько мал и быстр, что он требует отдельных единиц измерения расстояния и скорости.

awtopolivmsk.ru
Реклама

Сравнительный размер атома гелия и его ядра
Классическая физика прекрасно описывает все явления макро мира, но когда мы опускаемся до мира молекул, атомов и ниже происходят некоторые несостыковки, точнее этот мир вообще не поддается логичному объяснению. Это мир теоретиков и математиков, выдающихся людей, которые рассекречивают магию квантового мира на листке бумаги.
Первый гений квантовой теории был Макс Планк. Его теория гласила о том, что в мире элементарных частиц вся энергия поглощается и испускается только дискретными порциями - квантами. Позже Альберт Эйнштейн используя теорию планка предположил, что свет состоит из квантов, теперь мы их называем фотоны.

Фотон.
Это элементарная частица (т.е. она уже не из чего не состоит и ее нельзя разделить на более мелкие частицы). Фотон является частицей переносчиком электромагнитного взаимодействия, это он подсказывает электрону где и как ему вращаться вокруг ядра атома, молниеносно перенося информацию между ними. Он не только является элементарной частицей, фотон так же не имеет ни массы ни размеров (вот такая вот частица). Ну а скорость его перемещения максимальна из всех возможных - скорость света или 300000 км/с.

Квантово-волновой дуализм (или корпускулярно-волновой).
Да, термины нужны. Двойственность это характерная черта некоторых элементарных частиц. Чем больше частица, тем меньше эффект. Разберем подробнее. Сейчас-то и
начинается магия необъяснимых вещей микромира.

Что такое свет? Что он из себя представляет? Первое что приходит на ум: свет - это волна. Посмотрите на любую тень поближе, например на тень своей руки, видите немного размытый край тени? Это и есть характерная черта волн. Будь свет частицей края теней были бы ровными и четкими. Томас Юнг одним из первых доказал волновую структуру света, повторим его опыт: нам понадобится источник света, и некий предмет, допустим кусок плотной бумаги на котором прорезаны два одинаковых отверстия (две щели), а, да еще понадобится экран, куда будет проецироваться свет от источника, через щели.

Если свет - частица, то мы увидим две параллельные полосы на экране, как показано на рисунке сверху. Но по факту мы видим следующее:

Что это означает. Мы видим череду полос, светлых и темных, т.е. волна проходя через отверстия разбивается на две волны, а при встрече двух волн происходит следующее: если их гребни совпадают она увеличивается, что мы и видим в виде светлых полос, при встрече же гребня и впадины- они взаимно гасят друг друга, что проявляется темной полосой - или пустотой - это называется интерференцией, или интерференционной решеткой. Так мы доказали, что свет является волной (электромагнитной).

опыт Томаса Юнга
Тот же самый опыт, но позднее показал другой результат. Теперь возьмем не простой источник света, а тот который стреляет отдельными квантами- частичками света (тоже можно проделать и с электронами). Делая по одному выстрелу за раз, фотоны начинают формировать рисунок на экране (точечно), на первый взгляд будет казаться, что фотоны делают это беспорядочно.

Однако сделав, достаточное количество одиночных выстрелов мы все так же увидим интерференционную решетку (нужно помнить: мы стреляли штучно). Получается, что одиночный фотон после выстрела, проходил обе щели одновременно - формируя как бы волну, гребни которой мы видим на щите.

Естественно ученных заинтересовал данный момент. Они решили выяснить, что же происходит с фотоном непосредственно на входе в отверстия и на выходе, для чего там и были установлены датчики. И эксперимент был повторен. Что же мы обнаружили. А обнаружили следующее: выпущенный фотон проходил через одно отверстие, выходя на другой стороне (никаких волн) и попадал на экран, выпустив достаточное количество фотонов, сформированный рисунок представлял следующее:

Да. Снова две полоски. Получается, когда мы решили заглянуть в суть эксперимента, фотоны начали вести себя как частицы, и сформировали характерный узор в виде двух полосок, не проявляя свойств волны. Убрав наблюдателя (детектор), фотоны вновь начинают вести себя как волны. Как будто они знают, что за ними наблюдают и прячут истинную суть вещей, скрывая от постороннего взгляда устройство мира. Это и называется корпускулярно-волновой дуализм, а это значит, что частицы ведут себя так, как им удобно в данный момент, проявляя либо свойства волны, либо частицы.

Квантовая запутанность.
Суть квантовой запутанности гласит, если две частицы были произведены в результате одного действия, то они становятся запутанными. Что это означает? Эти две частицы начинают обмениваться информацией, при чем скорость обмена является моментальной, выше скорости света, что порождает парадокс, так как быстрее скорости света нет ничего.

Подробнее: есть такая характеристика элементарных частиц называемая спин - это момент импульса частицы. Если провести аналогию с реальным миром, то спин означает число, которое показывает, на сколько частей нужно разделить цикл вращения некоего элемента системы, чтобы она вернулась в состояние, неотличимое от начального. Для примера.

Легко представить себе спин, равный 0: это точка — она со всех сторон выглядит одинаково, как её ни крути.
Примером спина, равного 1, может служить большинство обычных предметов без какой-либо симметрии: если такой предмет повернуть на 360 градусов, то этот предмет вернётся в своё первоначальное состояние. Для примера — можно положить ручку на стол, и после поворота на 360° ручка опять будет лежать так же, как и до поворота.
В качестве примера спина, равного 2 можно взять любой предмет с одной осью центральной симметрии: если его повернуть на 180 градусов, он будет неотличим от исходного положения, и получается за один полный оборот он становится неотличим от исходного положения 2 раза. Примером может служить обычный карандаш, только заточенный с двух сторон или не заточенный вообще, тогда после поворота на 180° он вернется в положение, не отличимое от исходного.
А вот с полуцелым спином, равным 1/2 немножко сложнее: это получается, что в исходное положение система возвращается после 2-х полных оборотов, то есть после поворота на 720 градусов - не будем забивать голову примерами.

Вернемся к двум запутанным электронам нашего эксперимента. Если спин одного электрона будет положительными, ну или вращаться справа налево, то спин второго будет всегда отрицательным и наоборот. Если мы изменим спин первого на отрицательный, то спин второго станет положительным, при чем произойдет все это моментально, и на любом расстоянии, будь оно равное сантиметру или световому году. Представьте потенциал этой технологии. Молниеносный обмен информацией на любом расстоянии. Любой квантовый компьютер побьет все земные вместе взятые в разы (экспериментальные образцы кстати уже есть).
Квантовый мир, такой своеобразный и непостижимый, есть еще много чего интересного и даже мистического. Но невозможно уместить все в одной статье. Да и как показывает практика люди не особо стремятся познавать непостижимое. Но я надеюсь моя статья нашла нужных читателей, и кому-то была полезна и интересна. Постараюсь сделать еще статью о квантовом мире.