Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?
Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.
Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны
Интересный факт
В работе 1801 года английский физик Томас Юнг описал создание двух узких пучков лучей, идущих от одного и того же источника. Опыт показал, что световые волны интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране темных и светлых полос. Используя пару узких щелей Юнг в конечном итоге заставил свет охватить весь листок бумаги.
Природа света
Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).
Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы – это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.
Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки
Основоположником волновой теории света был Христиан Гюйгенс, развивал ее Опасен-Жен Френель, а Джеймс Клерк Максвелл описал электромагнитное поле и электромагнитное излучение в своих уравнениях, сделав возможным понимание природы света. На основе интерференции можно строить голограммы и объяснить интерференцию и дифракцию.
Однако свет можно также рассматривать как поток частиц – фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.
Корпускулярно-волновой дуализм
Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.
Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.
Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.
По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».
Квантовая революция
Основоположник современной атомной физики, Нильс Бор, пытался разрешить экзистенциальную дилемму квантовой механики. Он изобрел принцип дополнительности, согласно которому в некоторых экспериментах квантовые объекты будут локализованы и действовать как частицы, а в других различных экспериментах точно такой же квантовый объект будет распространяться и действовать как волна.
В 2018 году исследователи из Университета Рочестера в статье, опубликованной в научном журнале Optica, сообщили, что разрешили эту странную и неизбежную корпускулярно-волновую двойственность, обнаружив тесную связь между двойственностью и другой столь же странной особенностью квантовой механики, а именно квантовой запутанностью. Подробнее о том, что представляет собой это удивительное явление, я рассказывала в этой статье.
Ведущий автор исследования Сяофэн Цянь и его коллеги пришли к выводу, что каждая из особенностей квантовой странности — запутанность и двойственность — точно контролирует другую.
Запутанность – это квантово-механическое поведение двух частиц, в котором ни одна из них не может быть описана отдельно, независимо от описания другой, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Это то же самое свойство, которое нобелевский лауреат по физике Эрвин Шредингер использовал для объяснения своего знаменитого мысленного эксперимента с участием кошки, счетчика Гейгера и небольшого количества яда в запечатанной коробке.
Совсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.
Новое открытие вытекает из открытия о двойственности, сделанного Уильямом Вуттерсом и Войцеком Зуреком, двумя аспирантами-физиками Техасского университета в Остине, когда они размышляли о знаменитом эксперименте по оптике, проведенном Томасом Юнгом. В 1979 году Вуттерс и Зурек предсказали, что в одном и том же эксперименте можно измерить как волнообразное рассеяние, так и частичную локализацию света, но сумма измеренных величин не может быть больше.
Исследователи из Рочестера, однако, отмечают, что эксперимент с двумя щелями Юнга также может привести к тому, что обе меры будут равны нулю, что противоречит принципу дополнительности Бора. Согласно общепринятой интерпретации, это означает, что ни частицы, ни волны нет, но свет все еще можно обнаружить, – говорит Цянь.
Это исследование мало назвать революционным – результатом является первое полное описание взаимодополняемости – недостающей части головоломки квантовой запутанности. Описывая способ учета запутанности, наряду с наличием волн и частиц, работа исследователей из Рочестера означает, что каждый эксперимент Юнга, связанный с двойственностью, даст измеренную сумму с точным значением, которая удовлетворяет условиям, изложенным Бором более девяти десятилетий назад.
Новые особенности
Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.
Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.
Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).
Новое, разработанное исследователями устройство – двухлучевой интерферометр – генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.
Сопряженные «холостые» фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, – пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.
Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.
T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1
Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.
Интересный факт
Как пишет в своей книге «Физика для каждого образованного человека» Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку – прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.
В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. «Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями», – писал он.
Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.
Давайте разберемся: что такое свет?
Он вокруг нас и позволяет нам видеть мир. Но спросите любого из нас, и большинство не сможет объяснить, что такое на самом деле этот свет. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Наш язык это отражает: во тьме мы передвигаемся на ощупь, свет мы начинаем видеть вместе с наступлением зари. И все же мы далеки от полного понимания света. Если вы приблизите луч света, что в нем будет? Да, свет движется невероятно быстро, но разве его нельзя применить для путешествий? И так далее и тому подобное.
Что такое свет с научной точки зрения? Давайте разбираться
Что такое свет?
Конечно, все должно быть не так. Свет озадачивает лучшие умы на протяжении веков, но знаковые открытия, совершенные за последние 150 лет, постепенно приоткрывали завесу тайны над этой загадкой. Теперь мы более-менее понимаем, что это такое.
Физики современности не только постигают природу света, но и пытаются управлять ей с беспрецедентной точностью — и значит, свет очень скоро можно заставить работать самым удивительным способом. По этой причине Организация Объединенных Наций провозгласила 2015 году Международным годом Света.
Свет можно описать всевозможными способами. Но начать стоит с этого: свет — это форма излучения (радиации). И в этом сравнении есть смысл. Мы знаем, что избыток солнечного света может вызвать рак кожи. Мы также знаем, что радиационное облучение может вызвать риск развития некоторых форм рака; нетрудно провести параллели.
Свет бывает разным, и иногда он может нанести вред
Но не все формы излучения одинаковы. В конце 19 века ученые смогли определить точную суть светового излучения. И что самое странное, это открытие пришло не в процессе изучения света, а вышло из десятилетий работы над природой электричества и магнетизма.
Как ученые изучали свет
Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но ученые вроде Ганса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.
Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.
Вклад Максвелла в науку сложно переоценить. Альберт Эйнштейн, который вдохновлялся Максвеллом, говорил, что тот изменил мир навсегда. Среди прочих вещей, его вычисления помогли нам понять, что такое свет.
Джеймс Клерк Максвелл
Максвелл показал, что электрические и магнитные поля передвигаются в виде волн, и эти волны движутся со скоростью света. Это позволило Максвеллу предсказать, что свет сам по себе переносится электромагнитными волнами — и это означает, что свет является формой электромагнитного излучения.
В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.
«Я уверен, что если бы Максвелл и Герц жили в эпоху Нобелевской премии, они бы точно одну получили», — говорит Грэм Холл из Университета Абердина в Великобритании — где работал Максвелл в конце 1850-х.
Максвелл занимает место в анналах науки о свете по другой, более практической причине. В 1861 году он обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.
Самая первая в мире цветная фотография
Свет — это спектр цветов
Сама фраза о том, что свет является формой электромагнитного излучения, многого не говорит. Но помогает описать то, что мы все понимаем: свет — это спектр цветов. Это наблюдение восходит еще к работам Исаака Ньютона. Мы видим цветовой спектр во всей его красе, когда радуга всходит на небе — и эти цвета напрямую связаны с максвелловским понятием электромагнитных волн.
Красный свет на одном конце радуги — это электромагнитное излучение с длиной волны от 620 до 750 нанометров; фиолетовый цвет на другом конце — излучение с длиной волны от 380 до 450 нм. Но в электромагнитном излучении есть и больше, чем видимые цвета. Свет с длиной волны длиннее красного мы называем инфракрасным. Свет с длиной волны короче фиолетового называем ультрафиолетовым. Многие животные могут видеть в ультрафиолетовом, некоторые люди тоже, говорит Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия. В некоторых случаях люди видят даже инфракрасный. Возможно, поэтому нас не удивляет, что ультрафиолетовый и инфракрасный мы называем формами света.
Почему рентгеновские лучи это не свет
Любопытно, однако, что если длины волн становятся еще короче или длиннее, мы перестаем называть их «светом». За пределами ультрафиолетового, электромагнитные волны могут быть короче 100 нм. Это царство рентгеновских и гамма-лучей. Вы когда-нибудь слышали, чтобы рентгеновские лучи называли формой света?
Ученый никогда не назовет рентгеновские лучи светом
«Ученый не скажет «я просвечиваю объект рентгеновским светом». Он скажет «я использую рентгеновские лучи», — говорит Гулильмакис.
Между тем, за пределами инфракрасных и электромагнитных длин волны вытягиваются до 1 см и даже до тысяч километров. Такие электромагнитные волны получили названия микроволн или радиоволн. Кому-то может показаться странным воспринимать радиоволны как свет.
«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики, — говорит Гулильмакис. — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой». Только наше повседневное восприятие различает их.
Таким образом, мы получаем другое определение света. Это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, которое могут видеть наши глаза. Другими словами, свет — это субъективный ярлык, который мы используем только вследствие ограниченности наших органов чувств.
Люди видят цвета по-разному
Если вам нужны более подробные доказательства того, насколько субъективно наше восприятие цвета, вспомните радугу. Большинство людей знают, что спектр света содержит семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У нас даже есть удобные пословицы и поговорки про охотников, которые желают знать место нахождения фазана. Посмотрите на хорошую радугу и попробуйте разглядеть все семь. Это не удалось даже Ньютону. Ученые подозревают, что ученый разделил радугу на семь цветов, поскольку число «семь» было очень важным для древнего мира: семь нот, семь дней недели и т. п.
Обычно люди видят в радуге пять цветов
Работа Максвелла в области электромагнетизма завела нас дальше и показала, что видимый свет был частью широкого спектра радиации. Также стала понятна истинная природа света. На протяжении веков ученые пытались понять, какую на самом деле форму принимает свет на фундаментальных масштабах, пока движется от источника света к нашим глазам.
Как движется свет?
Некоторые считали, что свет движется в форме волн или ряби, через воздух или загадочный «эфир». Другие думали, что эта волновая модель ошибочна, и считали свет потоком крошечных частиц. Ньютон склонялся ко второму мнению, особенно после серии экспериментов, которые он провел со светом и зеркалами.
Исаак Ньютон это один из тех людей, кто хотел понять, что такое свет
Он понял, что лучи света подчиняются строгим геометрическим правилам. Луч света, отраженный в зеркале, ведет себя подобно шарику, брошенному прямо в зеркало. Волны не обязательно будут двигаться по этим предсказуемым прямым линиям, предположил Ньютон, поэтому свет должен переноситься некоторой формой крошечных безмассовых частиц.
Проблема в том, что были в равной степени убедительные доказательства того, что свет представляет собой волну. Одна из самых наглядных демонстраций этого была проведено в 1801 году. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга, в принципе, можно провести самостоятельно дома.
Возьмите лист толстого картона и аккуратно проделайте в нем два тонких вертикальных разреза. Затем возьмите источник «когерентного» света, который будет излучать свет только определенной длины волны: лазер отлично подойдет. Затем направьте свет на две щели, чтобы проходя их он падал на другую поверхность.
Вы ожидаете увидеть на второй поверхности две ярких вертикальных линии на тех местах, где свет прошел через щели. Но когда Юнг провел эксперимент, он увидел последовательность светлых и темных линий, как на штрих-коде.
Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга
Когда свет проходит через тонкие щели, он ведет себя подобно водяным волнам, которые проходят через узкое отверстие: они рассеиваются и распространяются в форме полусферической ряби.
Когда этот свет проходит через две щели, каждая волна гасит другую, образуя темные участки. Когда же рябь сходится, она дополняется, образуя яркие вертикальные линии. Эксперимент Юнга буквально подтвердил волновую модель, поэтому Максвелл облек эту идею в твердую математическую форму. Свет — это волна.
Но потом произошла квантовая революция.
Что такое фотоэффект
Во второй половине девятнадцатого века, физики пытались выяснить, как и почему некоторые материалы абсорбируют и излучают электромагнитное излучение лучше других. Стоит отметит, что тогда электросветовая промышленность только развивалась, поэтому материалы, которые могут излучать свет, были серьезной штукой.
К концу девятнадцатого века ученые обнаружили, что количество электромагнитного излучения, испускаемого объектом, меняется в зависимости от его температуры, и измерили эти изменения. Но никто не знал, почему так происходит. В 1900 году Макс Планк решил эту проблему. Он выяснил, что расчеты могут объяснить эти изменения, но только если допустить, что электромагнитное излучение передается крошечными дискретными порциями. Планк называл их «кванта», множественное число латинского «квантум». Спустя несколько лет Эйнштейн взял его идеи за основу и объяснил другой удивительный эксперимент.
Физики обнаружили, что кусок металла становится положительно заряженным, когда облучается видимым или ультрафиолетовым светом. Этот эффект был назван фотоэлектрическим.
Атомы в металле теряли отрицательно заряженные электроны. Судя по всему, свет доставлял достаточно энергии металлу, чтобы тот выпустил часть электронов. Но почему электроны так делали, было непонятно. Они могли переносить больше энергии, просто изменив цвет света. В частности, электроны, выпущенные металлом, облученным фиолетовым светом, переносили больше энергии, чем электроны, выпущенные металлом, облученным красным светом.
Если бы свет был просто волной, это было бы нелепо.
Обычно вы изменяете количество энергии в волне, делая ее выше — представьте себе высокое цунами разрушительной силы — а не длиннее или короче. В более широком смысле, лучший способ увеличить энергию, которую свет передает электронам, это сделать волну света выше: то есть сделать свет ярче. Изменение длины волны, а значит и света, не должно было нести особой разницы.
Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект проще понять, если представить свет в терминологии планковских квантов.
Он предположил, что свет переносится крошечными квантовыми порциями. Каждый квант переносит порцию дискретной энергии, связанной с длиной волны: чем короче длина волны, тем плотнее энергия. Это могло бы объяснить, почему порции фиолетового света с относительно короткой длиной волны переносят больше энергии, чем порции красного света, с относительно большой длиной.
Также это объяснило бы, почему простое увеличение яркости света не особо влияет на результат.
Свет поярче доставляет больше порций света к металлу, но это не изменяет количество энергии, переносимой каждой порцией. Грубо говоря, одна порция фиолетового света может передать больше энергии одному электрону, чем много порций красного света.
Что такое фотоны света
Эйнштейн назвал эти порции энергии фотонами и в настоящее время их признали фундаментальными частицами. Видимый свет переносится фотонами, другие виды электромагнитного излучения вроде рентгеновского, микроволнового и радиоволнового — тоже. Другими словами, свет — это частица.
Свет — это частица
На этом физики решили положить конец дебатам на тему того, из чего состоит свет. Обе модели были настолько убедительными, что отказываться от одной не было никакого смысла. К удивлению многих нефизиков, ученые решили, что свет ведет себя одновременно как частица и как волна. Другими словами, свет — это парадокс.
При этом у физиков не возникло проблем с раздвоением личности света. Это в какой-то мере сделало свет полезным вдвойне. Сегодня, опираясь на работы светил в прямом смысле слова — Максвелла и Эйнштейна, — мы выжимаем из света все.
Оказывается, что уравнения, используемые для описания света-волны и света-частицы, работают одинаково хорошо, но в некоторых случаях одно проще использовать, чем другое. Поэтому физики переключаются между ними, примерно как мы используем метры, описывая собственный рост, и переходим на километры, описывая поездку на велосипеде.
Как ученые используют свет
Некоторые физики пытаются использовать свет для создания шифрованных каналов связи, для денежных переводов, к примеру. Для них имеет смысл думать о свете как о частицах. Виной всему странная природа квантовой физики. Две фундаментальные частицы, как пара фотонов, могут быть «запутаны». Это значит, что они будут иметь общие свойства вне зависимости от того, как далеки будут друг от друга, поэтому их можно использовать для передачи информации между двумя точками на Земле.
Еще одна особенность этой запутанности в том, что квантовое состояние фотонов изменяется, когда их считывают. Это значит, что если кто-то попытается подслушать зашифрованный канал, в теории, он сразу выдаст свое присутствие.
Другие, как Гулильмакис, используют свет в электронике. Им полезней представлять свет в виде серии волн, которые можно приручить и контролировать. Современные устройства под названием «синтесайзеры светового поля» могут сводить световые волны в идеальной синхронности друг с дружкой. В результате они создают световые импульсы, которые более интенсивные, кратковременные и направленные, чем свет обычной лампы.
За последние 15 лет эти устройства научились использовать для приручения света с чрезвычайной степенью. В 2004 году Гулильмакис и его коллеги научились производить невероятно короткие импульсы рентгеновского излучения. Каждый импульс длился всего 250 аттосекунд, или 250 квинтиллионных секунды.
Используя эти крошечные импульсы как вспышку фотоаппарата, они смогли сделать снимки отдельных волн видимого света, которые колеблются намного медленнее. Они буквально сделали снимки движущегося света.
«Еще со времен Максвелла мы знали, что свет — это осциллирующее электромагнитное поле, но никто даже и подумать не мог, что мы можем сделать снимки осциллирующего света», — говорит Гулильмакис.
Наблюдение за этими отдельными волнами света стало первым шагом по направлению к управлению и изменению света, говорит он, подобно тому, как мы изменяем радиоволны для переноса радио- и телевизионных сигналов.
Сто лет назад фотоэлектрический эффект показал, что видимый свет влияет на электроны в металле. Гулильмакис говорит, что должна быть возможность точно контролировать эти электроны, используя волны видимого света, измененные таким образом, чтобы взаимодействовать с металлом четко определенным образом. «Мы можем управлять светом и с его помощью управлять материей», — говорит он.
Как можно понять, свет это очень сложное явление
Это может произвести революцию в электронике, привести к новому поколению оптических компьютеров, которые будут меньше и быстрее наших. «Мы сможем двигать электронами как заблагорассудится, создавая электрические токи внутри твердых веществ с помощью света, а не как в обычной электронике».
Вот еще один способ описать свет: это инструмент.
Впрочем, ничего нового. Жизнь использовала свет еще с тех пор, когда первые примитивные организмы развили светочувствительные ткани. Глаза людей улавливают фотоны видимого света, мы используем их для изучения мира вокруг. Современные технологии еще дальше уводят эту идею. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые построили настолько мощный световой микроскоп, что он считался физически невозможным. Оказалось, что если постараться, свет может показать нам вещи, которые мы думали никогда не увидим.
Свет ведет себя как частица и волна не только в пространстве, но и во времени
Один из самых странных и известных экспериментов в физике – двухщелевой эксперимент, лучше прочих иллюстрирует таинственную природу квантовой механики. Все потому, что свет, воспринимаемый нами как нечто обыденное, может вести себя и как частица и как волна одновременно, что удалось подтвердить экспериментальным путем в 2021 году. Однако первым на этот необычный феномен обратил внимание английский физик и математик Томас Юнг в 1801 году, когда заметил, что при сложении звуковых волн происходит ослабление и усиление звука. Предположив, что свет подобен звуку, Юнг решил провести эксперимент, в ходе которого направил пучок света на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен еще один, проекционный экран. Ширина прорезей, при этом, была приблизительно равна длине волны излучаемого света. Результатом эксперимента стала интерференционная картина, которая демонстрирует, что фотон как будто проходит через обе щели одновременно. Недавно, однако, ситуация усложнилась – изменения, внесенные физиками в классический опыт Юнга, показали, что поведение фотонов меняется в зависимости от… времени.
Результаты нового исследования показали, что свет ведет себя как волна и частица не только в пространстве, но и во времени.
Классический опыт Юнга
Прежде чем перейти к увлекательным результатам исследования, опубликованного в журнале Nature Physics, обратимся к классическому эксперименту Юнга, а также вспомним основные принципы квантовой механики. Так, по мнению автора этой статьи, читателю будет проще разобраться в происходящем.
Начнем с того, что споры о природе света в академических кругах велись с 18 века. Исаак Ньютон, например, считал, что свет состоит из потока частиц, а голландский физик и астроном Кристиан Гюйгенс, напротив, называл свет волнами, вибрирующими в некоем подобии эфира. Эти догадки основывались на волновой природе звуковых волн, которые распространяются по изогнутым трубам, огибая углы, в отличие от света. Более того, Ньютон заметил, что в воде скорость света менялась, что заставило его привнести в свою теорию необъяснимую силу, способную объяснить это странное явление.
Исаак Ньютон был убежден, что свет – это частица, а не волна
Так как в те годы молодой ученый пользовался большой популярностью, оспорить его теорию никто не решался вплоть до 1801 года. Тогда, как упоминалось выше, Томас Юнг впервые наблюдал интерференцию. Причиной, по которой этот эрудированный ученый с опытом в разных областях науки, включая медицину, заинтересовался светом, стала препарация бычьего глаза, во время которой он размышлял о том, как глаза фокусируются на объектах на разных расстояниях. Впоследствии Юнг предложил теорию цветового зрения.
Юнг также восхищался Ньютоном, однако к 1800 году заметил кое-что неладное в корпускулярной теории. Так, свет вел себя по-разному между воздухом и водой – одна его часть отражалась, а вторая преломлялась, что невозможно объяснить теорией Ньютона. Чтобы разобраться в происходящем, Юнг, как и его предшественники, обратился к звуку, заметив, что при пересечении двух звуковых волн, они интерферируют друг с другом. Со временем физик начал понимать, что явление интерференции может быть применимо и к свету.
Напомню, что интерференция возникает, когда два набора волн накладываются друг на друга. Ранее я рассказывала о результатах эксперимента, который показал, что квантовая запутанность существует между разнородными частицами.
Свет не так прост, как кажется
В 1801 году, размышляя над экспериментами Ньютона, Юнг выдвинул основную идею знаменитого эксперимента, однако его результаты впоследствии были раскритикованы академическим сообществом. Установка, предложенная Юнгом, в дальнейшем использовалась для демонстрации волновой природы света и способности электронов вести себя как волны и создавать интерференционные картины.
Ситуация изменилась многим позже благодаря становлению квантовой механики, когда физики (во многом благодаря опыту Юнга) перестали сомневаться в двойственной природе света, который, как мы знаем, может вести себя и как волна и как частица одновременно.
Становление квантовой механики
Больше о других не менее странных явлениях квантовой механики читайте в нашей статье «Тайны квантовой механики – что такое квантовая запутанность?»
И все же первенство в создании современной квантовой теории принадлежит немецкому физику Максу Планку, который опубликовал новаторское исследование, продемонстрировав, что энергия в определенных ситуациях может проявлять характеристики физической материи. Отметим, что в те годы энергия считалась исключительно непрерывным волнообразным явлением, независимым от характеристик физической материи.
Теория Планка, напротив, утверждала, что энергия состоит из компонентов, похожих на частицы или “кванты”. Его работа помогла разрешить ранее необъяснимые природные явления, включая поглощение света на атомном уровне, за что в 1918 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.
Затем Эйнштейн, Бор, Луи де Бройль, Шредингер и Дирак развили теорию Планка, подарив миру квантовую механику – математическое приложение квантовой теории, согласно которому энергия является одновременно и материей и волной и зависит от рядя переменных. Таким образом, квантовая механика придерживается вероятностного взгляда на устройство мироздания, что сильно отличается от механики классической, в которой все точные свойства объектов поддаются вычислению.
Перед вами фото, сделанное в 1927 году в ходе V Сольвеевского конгресса. Все 29 участников до неузнаваемости изменили мир.
Сегодня квантовая механика и теория относительности являются основой современной физики и. ее главной проблемой. Подробнее о том, почему ОТО противоречит квантовой механике и что это означает для современной науки читайте в статье «Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?», рекомендую!
Как квантовая механика изменила мир?
Сегодня о «таинственной» квантовой физике не слышал разве что ленивый, так как ее используют для объяснения самых разных и даже не существующих явлений. Что неудивительно, ведь вряд ли в мире найдется ученый, который полностью понимает устройство Вселенной на микроуровне. Квантовая механика, тем не менее, окончательно и бесповоротно изменила мир, способствуя развитию и становлению современной цивилизации. Чтобы внести некоторую ясность и обосновать громкие заявления, перечислим основные достижения этой научной дисциплины.
-
Компьютеры и смартфоны – это ярчайший пример того, что подарила миру квантовая механика. Все потому, что работа современной электроники на основе полупроводников зависит от волновой природы электронов. И поскольку мы понимаем эту волновую природу, то можем манипулировать электрическими свойствами кремния для создания компьютерных чипов: получить их можно смешивая крошечные доли необходимых элементов друг с другом.
Вы читаете эту статью благодаря квантовой механике
Компьютерные чипы питают и приводят в действие настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты, смартфоны и даже мелкую бытовую технику. Без детального понимания квантовой природы материи создать их было бы невозможно.
Лазеры – это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне
Ключевой принцип лазера описан Эйнштейном в 1917 году в работе о статистике фотонов (хотя сам термин был введен позже) и их взаимодействии с атомами. Результатом этого взаимодействия является индуцированное (или когерентное) излучение, при котором оба фотона грубо говоря «клонируют» друг друга, т. е. имеют одинаковые частоту, фазу и направление.
Каждый раз, когда вы пользуетесь смартфоном, чтобы добраться из пункта А в пункт Б, благодарите за него квантовую механику
Для точной и синхронизированной работы спутниковой системы, в каждый из них встроены атомные часы, работающие благодаря принципам квантовой механики. «Тиканье» часов – это колебание микроволн, которое приводит к переходу между двумя определенными квантовыми состояниями в атоме цезия (или рубидия, в некоторых часах).
Удивительно, правда? Несмотря на то, что квантовая физика загадочна и непостижима, представить повседневную жизнь без нее попросту невозможно.
Современный опыт Юнга
Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент без малого 222 года назад. По этой причине современный опыт выглядит несколько иначе – физики пропускают излучение отдельных частиц света или материи через две щели или отверстия, вырезанные в непрозрачном барьере. По другую сторону барьера находится экран, который регистрирует прибытие частиц.
Результат эксперимента, несмотря на модернизацию, не меняется: вместо того, чтобы пройти через ту или иную щель и накапливаться за каждой из них, фотоны переходят в определенные части экрана и избегают друг друга, что приводит к созданию чередующихся полос света и тьмы, то есть к интерференции. Так, однако, происходит не всегда – оказалось, что в любой момент времени через аппарат проходит только один фотон.
Поведение фотонов меняется когда мы просто наблюдаем за ходом эксперимента. Реальность намного сложнее, чем кажется.
Это кажется нелогичным, но если посмотреть на фотон с математической точки зрения, приняв его за волновую функцию (абстрактную математическую функцию, представляющую состояние фотона/его местоположение), как все встает на свои места. Дело в том, что волновая функция ведет себя как волна а значит фотон попадает в обе щели. В результате новые волны исходят из каждой щели с другой стороны, распространяются и мешают друг другу.
Таким образом мы можем сформулировать основную идею эксперимента с двумя щелями – даже если пропускать фотоны через обе щели по одному за раз, то он все равно будет вести себя как волна, создавая интерференционную картину. Вот только эта волна – вероятность, поскольку ученые не знают, через какую из двух щелей пройдет тот или иной фотон. Проблема заключается в том, что когда ученые пытаются определить какой именно фотон проходит через конкретную щель, интерференционная картина не возникает (что бы ученые не делали).
Эксперимент с отложенным выбором
Отметим, что в квантовой механике существует целый ряд классических двухщелевых экспериментов, включая эксперимент «с отложенным выбором» (так называемый «квантовый ластик с отложенным выбором»). Несмотря на странное название, идея достаточно проста – испускаемые лазером фотоны попадают на двухщелевую пластину, за которой находится нелинейный оптический кристалл, который разбивает один фотон на пару запутанных фотонов (подробнее прочитать об этом явлении можно здесь).
Цель эксперимента заключается в формировании стандартной интерференционной картины, которую должен создать один из фотонов, а его «партнер» – направиться к детектору. Этого, однако, не происходит: даже если второй фотон можно обнаружить после того, как первый попадает на экран, интерференционный картины не возникает.
Классический опыт Юнга, описание
Теоретически это означает, что наблюдение за фотоном может изменить события, которые уже произошли. Вот только как именно все это работает по-прежнему неизвестно, а значит перед нами одна из величайших загадок квантовой механики.
А вы знаете, что существуют разные интерпретации квантовой механики? Например, известно ли вам, что такое интерпретация Эверетта?
Как свет ведет себя во времени и пространстве?
Не прекращая попытки установить причину странного поведения фотонов, физики из Имперского колледжа Лондона опубликовали результаты инновационной работы в журнале Nature Physics, продемонстрировав, что опыт Юнга справедлив не только в отношении пространства, но и времени. В первоначальном эксперименте световые волны проходили через узкие промежутки в физическом пространстве, но в новой вариации физики использовали специальный материал, меняющий степень отражения света.
Когда на тонкий слой оксида индия – электропроводящего прозрачного материала, который регулярно используется в сенсорных экранах смартфонов – попадает интенсивный лазерный импульс, то он на крошечную долю секунды становится зеркалом. Этот материал, как говорится в работе, чрезвычайно быстро меняет свою отражательную способность, что сравнимо с частотой колебаний света.
Если бы вся история Вселенной от Большого взрыва до момента, когда вы читаете эту статью, длилась секунду, колебание света было бы равнозначно одному дню. Скорость переключения зеркал-щелей оказалась феноменальной — считаные фемтосекунды, – объясняет ведущий автор статьи Ромен Тироль.
Группе физиков удалось воссоздать двухщелевой эксперимент, который доказал волновую природу света во времени.
Если говорить совсем просто, то физики смогли наблюдать процессы интерференции света во времени – после прохождения щелей световые волны то усиливали, то гасили друг друга (точно так же, как это происходит в классическом эксперименте Юнга). Однако на этот раз интерференция происходила на шкале времени.
Таким образом, 222 года спустя, ученые доказали, что свет ведет себя как частица и волна не только в пространстве, но и во времени.
Мы также узнали о существовании более точных способов измерения оптического отклика среды, а результаты исследования в будущем могут привести к созданию новых вычислительных технологий и спектроскопии (что пригодится при изучении черных дыр и других астрофизических явлений). Помимо теоретической и концептуальной ценности, подобные эксперименты продолжают служить источником новых знаний и проводятся для разных типов волн, включая электронные, звуковые и др.
Только представьте какое влияние новое открытие может оказать на вычислительную мощность квантовых компьюетров
Мы также не можем исключать и других последующих открытий, к которым сегодня никто не решается приступить. В конечном итоге мы слишком мало знаем о природе Вселенной, в которой неизученных областей намного больше, чем можно себе представить. А как вы думаете, к чему могут привести дальнейшие эксперименты в области квантовой физики? Ответ, как и всегда, будем ждать в нашем Telegram-чате, спасибо за внимание!
Эффект наблюдателя в квантовой физике
Квантовая физика является одной из самых молодых и, пожалуй, наиболее интересных для понимания и изучения наук.
Днём рождения квантовой физики признаётся 14 декабря 1900 года — момент, когда на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения будущий лауреат Нобелевской премии Макс Планк ввёл понятие кванта — неделимой порции определённой величины (чаще всего энергии).
К тому времени самым загадочным явлением в научных кругах всё ещё считался свет, о природе которого на протяжении нескольких веков продолжали спорить физики: даже после проведения знаменитого впоследствии опыта Юнга.
Именно благодаря дискуссиям о природе света учёным удалось открыть свойство квантово-волнового дуализма (корпускулярно-волнового дуализма), а после и эффект наблюдателя.
Человек начал рассуждать о природе света ещё в доисторическом периоде. Тогда считалось, что свет является зрительным механизмом — он изображался как луч света, исходящий из глаза.
Четыре стихии Эмпедокла
Позднее, в пятом веке до нашей эры, древнегреческий учёный Эмпедокл развивал свою теорию о том, что всё, что нас окружает, состоит из четырёх стихий: земля, воздух, вода и огонь. В этой концепции свет представлял собой одну из разновидностей форм огня.
Эмпедокл предполагал, что из глаза свет направлялся к объекту, который человек видел. Солнце в этой системе играло лишь вспомогательную роль: оно не испускало свет как глазной огонь, но приводило в действие его путь.
Атомизм, Демокрит и Аристотель
Современник Эмпедокла Демокрит, древнегреческий философ и один из основоположников атомизма (теории, согласно которой вся существующая материя состоит из неделимых единиц вещества — атомов), считал, что свет, как и все окружающие нас предметы, состоит из частиц, подобных атомам.
Уже в четвёртом веке до нашей эры Аристотель, опираясь на представление о том, что вся материя состоит из четырёх элементов, думал, что свет — возбуждение воздушной стихии.
Диоптрика Декарта
Первое объяснение природе света, отдалённо напоминающее сформировавшуюся позже волновую теорию, дал Декарт в своём труде «Диоптрика» (1637 год). Он описывал свет так:
«Определённый вид движения, или быстрое и живое действие, которое передаётся нашим глазам через толщу воздуха и других прозрачных тел, подобно тому, как движение или сопротивление тел, с которыми сталкивается человек, передаётся его рукам посредством палки».
Можно наблюдать, что физики постепенно отходили от древнегреческой модели света как порождения той или иной первородной стихии (огня или воздуха). Начала складываться концепция понимания природы света как волны, а вместе с тем и противодействующая ей гипотеза потока частиц.
Корпускулярная и волновая теории света
Но настоящая борьба двух теорий началась в семнадцатом веке, когда в 1672 году Исаак Ньютон дал краткий ответ о результатах исследований, которыми он хотел опровергнуть предположение Декарта и доказать корпускулярную природу света. Этот ответ был опубликован в журнале «Философские труда Королевского общества» («Philosophical Transactions of the Royal Society»).
Заметка Ньютона в целом вызвала положительную реакцию, однако один учёный-физик резко высказался против теории Ньютона и написал объёмный отзыв с критикой, породив тем самым вражду длиною в жизнь. Автором данного критического ответа был Роберт Гук.
Гук настаивал, что, проведя те же опыты, получил диаметрально противоположный результат, поэтому подвергал сомнению заявление своего коллеги. На протяжении многих лет учёные-физики обменивались письмами, в которых старались защитить свою позицию: Ньютон отстаивал правдивость корпускулярной природы света, а Гук был уверен в справедливости волновой.
В итоге Гук, будучи уверенным в своей правоте, в 1760-е опубликовал волновую теорию света. Его идею продолжил развивать Христиан Гюйгенс и в 1790-е выпустил «Трактат о свете», в котором объяснил такие явления, как отражение и преломление.
На протяжении этого же периода времени Ньютон собирал, систематизировал и обобщал информацию о своей теории света, которую он изложил в своём труде «Оптика», выпущенном в 1704 году.
Описывая свет как корпускулы, Ньютон решил, что свойства света лучше всего объясняются рассмотрением света как потока частиц. Например, явление преломления происходило вследствие изменения частицей направления своего движения из-за воздействия на неё внешних сил.
Преломление — свойство света, приводящее к изменению направления луча при переходе из одного вещества в другое.
Корпускулярная теория также объясняла отражение, которое являлось столкновением светового луча с поверхностью определённого вещества и дальнейшим отталкиванием от неё.
Можно заключить, что и волновая, и корпускулярная теории имели свои плюсы и минусы — достоинства и недоработки.
| Теория | Плюсы | Минусы |
| Волновая теория | Доказательство преломления и отражения | Непонятность в вопросе прохождения волн сквозь вакуумное пространство |
| Корпускулярная теория | Доказательство преломления и отражения | Трудность в объяснении преломления лучей света при прохождении сквозь стекло |
Благодаря авторитету Исаака Ньютона большинство научного сообщества продолжало считать свет потоком частиц, хотя сторонники волновой теории также проводили исследования в доказательство справедливости своей точки зрения. И один из таких экспериментов просто перевернул мир.
Опыт Юнга с двумя щелями и явление интерференции
В 1801 году Томас Юнг провёл свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. Он создал конструкцию с двумя узкими щелями, через которые проходили лучи света и попадали на лист бумаги, охватывая его полностью. Юнг увидел на листе бумаги светлые и тёмные полосы, что свидетельствовало о наличии у света явления интерференции.
Интерференция — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.
Световые волны, исходящие из двух щелей, интерферировали друг с другом (накладывались друг на друга), вследствие чего на экране появлялись светлые полосы (усиливающая интерференция) и тёмные полосы (ослабляющая интерференция).
Опыт Юнга изменил сознание современников — с того момента весь научный мир считал свет волной и продолжал развивать и дорабатывать эту теорию, закрывая пробелы и разрешая парадоксы. Оставалось дать объяснение многим деталям, наиболее таинственной из которых оставался вопрос о прохождение волн сквозь пустое пространство, в частности через космический вакуум, так как для их распространения нужна среда.
Учёные начали совершенствовать старую теорию невидимого эфира, заполняющего собой всё пространство. Эфир должен был представлять собой вещество, не оказывающее сопротивления проходящим через него объектам, но в то же время способное переносить свет на огромные расстояния, измеряющиеся миллионами километров.
Параллельно с развитием и поиском подтверждения теории эфира сторонники концепции волновой природы света продолжали доказывать её справедливость. Очередным указанием стало определение скорости света в разных средах.
Согласно корпускулярной теории скорость света должна увеличиться при переходе из менее плотной среды в более плотную. Однако исследования Жана Бернарда Леона Фуко и Армана Ипполита Луи Физо показали обратный результат, что соответствовало волновой природе света.
Свет как электромагнитная волна и фотоэлектрический эффект
В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свой двухтомный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором описал свет как электромагнитную волну и смог рассчитать его скорость:
Она (подразумевается вычисленная скорость) настолько близка к скорости света, что кажется, будто мы имеем серьёзное основание заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и другие виды излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн.
Однако теория Максвелла имела недостаток — она строилась на модели механического эфира. В 1887 году Альберт Майкельсон и Дэвид Морли провели опыт, желая доказать существование эфира, но результат оказался диаметрально противоположным. Тогда учёным-физикам пришлось обратиться к концепции Майкла Фарадея о существовании электрических и магнитных полей.
Теорию Максвелла собирался подтвердить Генрих Рудольф Герц, но открыл явление фотоэффекта, которое заставило научное сообщество вспомнить о существовании корпускулярной теории света.
Эйнштейн объясняет фотоэлектрический эффект
В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка (энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами).
Фотоэлектрический эффект — явление вылета электрона из твёрдых и жидких тел под воздействием электромагнитного излучения.
Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества.
При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость. Формула:
где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.
Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:
- Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
- Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.
В итоге физики смогли прийти к заключению и открыли новое явление: корпускулярно-волновой дуализм.
Корпускулярно-волновой дуализм (квантово-волновой дуализм) — явление, заключающееся в том, что материальные объекты при одних определённых условиях ведут себя как классические волны, а при других — как классические частицы.
В 1923 году Луи де Бройль предположил, что не только свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом — но и элементарные частицы.
Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как частицы, обладающие определёнными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Наукой, которая рассматривает объекты с точки зрения квантово-волнового дуализма, стала квантовая механика.
Чтобы наглядно представить явление квантово-волнового дуализма, вернёмся к уже знакомому нам эксперименту Томаса Юнга — опыта с двумя щелями.
Через щели теперь будут пропускать лишь одну элементарную частицу — электрон. Квантовая механика демонстрирует нам удивительную картину: пока данная элементарная частица не попадёт на экран, она не будет занимать определённого положения в пространстве.
Частица не летит по какой-либо траектории — её «путь» представляет собой систему эволюционирующего набора вероятностей того, какими путями она может двигаться. В данный момент времени эта частица находится нигде. А когда мы начинаем непосредственное наблюдение, мы видим мы её лишь в одном из всех возможных положений.
Здесь мы и знакомимся с эффектом наблюдателя.
Эффект наблюдателя простыми словами
Эффект наблюдателя — теория, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.
В квантовой механике термин «наблюдатель» используется в значении, когда мы что-то измеряем. Если в макромире нам достаточно применить какой-либо измерительный прибор (например, нам нужно узнать длину простого карандаша — мы используем для этой цели линейку), чтобы узнать точное или приблизительное значение, то в микромире любая попытка наблюдения (измерения) изменит квантовую систему.
Проще всего это демонстрируется при помощи мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера.
Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда.
Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50.
Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив.
Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно. Когда же мы открываем ящик, то видим перед собой кота лишь в одном из возможных состояний.
Более поздние исследования показали, что наблюдение как изменение свойств объектов микромира распространяется не только на одну конкретную частицу, но и на другие объекты, находящиеся во взаимодействии с ней. Из этого следует эффект квантовой запутанности. Вкратце это:
Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий.
Заключение
Эффект наблюдателя, безусловно, входит в разряд величайших научных открытий, изменивших мир, как и вся квантовая физика.
Если сравнить взгляды на разные явления, которые встречаются в нашей жизни повседневно, с взглядами на них древнегреческих философов или научных деятелей семнадцатого века, то станет ясно, что современная наука проделала огромный путь.
Мы смотрим на мир другими глазами, зная о новейших научных открытиях и экспериментах. Конечно, квантовой физике ещё предстоит решить множество парадоксов и найти ответы на сложные вопросы. Для этого необходимо изучать науку — вы, кстати, можете ознакомиться с фундаментальными трудами ниже (после Q&A) и изучить вопрос основательнее.
Эффект наблюдателя — простые ответы на сложные вопросы
Чем же в итоге является свет?
Свет — своего рода парадокс. Он не является ни волной, ни частицей, но проявляется и те, и другие свойства, которые взаимно дополняют друг друга.
Что из себя представляет квантово-волновой дуализм сегодня?
На сегодняшний день квантово-волновой дуализм имеет значение, скорее, для общего понимания эволюции физики и более интересен историкам, а не физикам, так как представляет собой историческую ценность, а не научную.
Почему сегодня квантовый дуализм потерял научную ценность?
Сейчас существует более двух способов описания материального объекта (корпускулярный, волновой, термодинамический и т.д.) Кроме того, противопоставлять и сравнивать материальный объект некорректно.
Почему спустя столько лет опыт Юнга показал иной результат?
Дело в том, что возможность запустить в щель лишь один электрон появилась лишь с появлением нового оборудования. У Томаса Юнга в девятнадцатом веке просто не было такой возможности.
Думал ли кто-то о квантово-волновом дуализме раньше его появления?
Вряд ли. Учёные опирались на работы своих предшественников и зачастую боялись отступиться от уже сформированной картины мира. Именно поэтому до конца девятнадцатого века физики надеялись доказать существование эфирной среды. Тем более квантовая физика совершенно не похожа на классическую. Многие законы квантовой физики для классического варианта абсурдны.
Что почитать об эффекте наблюдателя
- «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б., Форшоу Д.
- «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
- «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
- «Физика и философия. Часть и целое» — Вернер Гейзенберг
- «Pro парадоксы науки», «Великая квантовая революция» — О.О. Фейгин
- «Квантовая теория поля» — Стивен Вайнберг
- «Квантовая механика. Теоретический минимум» — Арт Фридман, Леонард Сасскинд
- «Начала квантовой механики» — Поль Дирак
Что посмотреть об эффекте наблюдателя
- «Тайны квантовой физики / The Secrets of Quantum Physics». BBC
- «Квантовая физика невозможного: Нарушая временные границы». Discovery
- «Квантовая революция»
- «Физика света. Свет и квантовая физика»