Ликбез RnD.CNews: как устроен квантовый мир

В основу квантовой физики легла теория корпускулярно-волнового дуализма света, которую выдвинул в 1923 году Луи де Бройль. Он объединил волновой принцип Гюйгенса-Френеля и корпускулярную теорию Эйнштейна и объяснил, что свет может вести себя и как волна, и как частица.

При этом сам термин «квант» (от лат. quantum – сколько) был введен в 1900 году Максом Планком. Он доказал, что свет излучается частями – квантами, которые переносят энергию, пропорциональную частоте световой волны с коэффициентом в виде постоянной Планка. Самый известный тип кванта – этот фотон (квант электромагнитного поля), но также квантами являются бозон Хиггса, фонон, глюон и гипотетические хронон и гравитон.

Законы квантового мира

Современная квантовая физика в основном исследует частицы меньшие по размеру, чем молекулы: атомы, кварки, лептоны, мезоны, адроны и др. Одним из главных вопросов является граница микро- и макромира, для определения которой используется постоянная Планка. 

В отличие от макромира, в квантовом мире действует принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит: чем точнее вы измерите один из параметров, тем менее точно получится измерить второй. Например, можно узнать скорость движения, но не положение объекта в пространстве, и наоборот.

Также микрочастицы имеют собственный момент импульса или спин, не связанный с их движением. Спин может быть направлен вверх или вниз (также это называется левым и правым спином).

Примером спина в макромире может быть вращение Земли вокруг своей оси. Так как планета имеет огромную массу, дискретные значения момента вращения невозможно наблюдать, но у маленькой частицы этот параметр получится измерить.

Явления и эффекты квантового мира

В микромире между двумя и более частицами может возникать явление запутанности, при котором их квантовые состояния взаимозависимы: если спин одной из частиц направлен вверх, то у другой он будет направлен вниз. Квантовая запутанность сохраняется на огромных расстояниях и прекращается только с изменением параметра одной из частиц.

Еще один необычный квантовый эффект – это суперпозиция, то есть одновременное нахождение частицы или системы в двух противоречащих состояниях.

Для описания этого явления применяется мысленный эксперимент Шредингера, в котором кота помещают в ящик вместе с колбой с синильной кислотой и счетчиком Гейгера с крупинкой радиоактивного вещества внутри. Если хотя бы один атом в веществе распадется, счетчик сработает, подключенный к нему молоточек разобьет колбу и кот погибнет. Но равновероятно, что атом не распадется, колба останется целой, а кот не умрет.

До тех пор, пока ящик закрыт, кот остается одновременно и живым и мертвым, то есть находится в суперпозиции. Только после открытия ящика произойдет декогеренция, и система с некоторой долей вероятности придет к одному из состояний – кот жив или кот мертв.

Эксперимент Шредингера имеет две трактовки: копенгагенскую интерпретацию Бора и Гейзенберга и многомировую интерпретацию Эверетта. В многомировой интерпретации исследователь открывает ящик и оказывается в состоянии запутанности с котом. Это приводит к расщеплению Вселенной на две части, в одной из которых ученый видит мертвого, а в другой живого кота.

На данный момент общепринята копенгагенская интерпретация, согласно которой в момент наблюдения система переходит из суперпозиции к одному из своих вероятных состояний (кот оказывается жив или мертв).

В настоящее время квантовые системы не только изучаются, но имеют и практическое применение. Помимо квантовых компьютеров, ученые также разрабатывают квантовый интернет. Кроме того, уже существуют линии квантовой связи.