760
10 незвичайних явищ, продуманих експериментів і парадоксів квантової механіки
1 липня Росія вперше зуміла заміряти квит (кількість біт), здатний, на відміну від звичайних біт, які характеризуються двома державами - або "одним" або "нуль", - взяти нескінченний набір держав. У результаті можливості переселенців у надпозиції двох держав одночасно було експериментально підтверджено, що з точки зору квантової механіки близько до парадоксу. Ми пропонуємо Вам вибір десяти незвичайних явищ з сфери квантової механіки.
1,1 км Кіт Шредедер
У 1935 році фізик Ервін Шрьодіндер провів думаний експеримент, який згодом називався «Schrödinger’s Cat» – його теорія була предметом широкого обговорення в наукових колах і тепер використовується в квантових обчисленнях та квантовій криптографії.
Schrödinger призначений для того, щоб довести, що з дотриманням макроскопічних систем, невизначеність, яка виникає в таких випадках, можна уникнути безпосереднього спостереження об'єкта. Короткий підсумок своєї причини полягає в тому, що кішка повинна бути розміщена в герметичній коробці з гельською машиною всередині, яка в певних умовах випромінює отруйний газ для живих організмів. Є дуже невелика кількість радіоактивного матеріалу в тій же коробці, і один атом може розпадатися протягом найближчої години або з однаковою ймовірністю не загиблий.
Якщо ви не робите ніяких прямих спостережень в цей час, тобто не відкривати коробку з котом, то можна припустити, що кішка може залишатися живим і вмирати весь цей час. Відповідно, до підтвердження експерименту, кішка залишається як живим, так і мертвим, поки ми відкриваємо коробку і дивимося результат.
Точка полягає в тому, що це не буває в природі, і це стосується як живих організмів, так і атомів - нуклеус може бути або дискінтегрований або не дисінтегрований, а проміжний стан неможливо. Перед прямим спостереженням, однак, атом і кішка знаходяться в стані, що називається суперпозиція, тобто в двох штатах одночасно.
2,2 км Клейн парадокс
Уявіть проблему: релятивістична частинка повинна бути переміщена через потенційний бар’єр, при цьому потенційна енергія частинок менше висоти бар’єру - іншими словами, для подолання бар’єру недостатньо енергії. З точки зору класичної механіки таке явище неможливе, але за даними квантової механіки, частинка ще може подолати бар'єр.
Точно, не зовсім так: той факт, що при певній енергії використовується в міцному полі, другий, паровані частинки, або протичастина, буде народився, що буде з'явитися тільки на іншій стороні бар'єру.
3. У квантовий парадокс Zeno
Якщо ви постійно спостерігали нестабільні квантові частинки, це ніколи не може розпадатися, іншими словами, переглядаючи частинку, ми якось робимо зміни в її державі, наприклад, дати йому енергію або додатковий імпульс: більш стабільний стан частинок, швидше за все, він буде розпадати.
Цей феномен спостерігався тільки в 1989 році - експеримент був проведений Девідом Вейнландом: як тільки атоми були уражені ультрафіолетовим випромінюванням, їх перехід до дворівневого (збудженого) стану пригнічений.
4. Хвиля-Корпускулярний Dualism
Принцип даної концепції полягає в тому, що об'єкт може експонувати як хвильові властивості, так і корпускулярні властивості: наприклад, світло являє собою хвилю певної довжини, в багатьох випадках експонуються електромагнітні властивості, але таким же чином світло може бути представлений у вигляді елементарних частинок - фотон, тобто світло експонується корепускулярними властивостями.
З точки зору звичайної фізики це не логічно, але в квантовій фізикі ця ситуація допустима і, крім того, в разі світла, корпусу і хвильових властивостей доповнюють один одного.
Зараз дуалізму хвиль в основному є питанням теоретичного інтересу, оскільки квантові предмети не є частинками, ні хвилі в класичному розумінні.
5. Умань Квантове заплутування
Принцип квантового заплутування полягає в тому, що при взаємодії з однією частинкою з певної групи частинок, стан не тільки об'єкта безпосередньо впливає, але і всі інші об'єкти цієї групи зміни. Таким чином, об'єкти взаємопов'язані, і їх зв'язки залишаються постійними навіть коли вони знаходяться на значному відстані один від одного або в абсолютно різних умовах.
Наприклад, візьміть пару заплутаних фотонів: якщо змінити спіральність хребта першого фотона з позитиву до негативного, спіральність другого фотона завжди буде негативним. Якщо змінити спіральність першого фотона негативно, другий фотон набуває позитивної спіралі.
6. квантова телепортація
Телепортація в квантовій механікі значно відрізняється від телепортації, описаних в фантастичних роботах – в квантовій телепортації неможливо перенести енергію або матерію на певну відстань. У цьому випадку стан квантових частинок передається у присутності іншої, заплутаної частинки: в точці передачі цей стан руйнується, а в точці прийому його відтворюється.
Зауважте, що це не частинки, які знищуються, але тільки їх держава в момент відправлення/відведення – це не передача в прямому сенсі, а скоріше копіювання. Передача не здійснюється через квантовий канал, але через звичайний, і не може бути швидше, ніж швидкість світла.
7. Суперфлюїдність
Якщо температура матерії в стані квантової рідини охолоджується до стану близько до абсолютної нуль, то речовина буде придбати можливість протікання через вузькі канали, такі як капіляри, без тертя.
Наукова основа явища полягає в наступному: атоми матерії в стані квантової рідини (наприклад, ця форма часто бере гелію-3) - босони, а з точки зору квантової механіки будь-яка кількість її частинок може бути в однаковому стані. Чим ближче температура полягає в абсолютному нульовому, тим більше атомів знаходяться в одному енергетичному стані, а при температурі ультранизу енергія зіткнень може бути дуже невеликою, так що розсіювання енергії в проміжках між атомами не відбудеться - так як енергія не розсіюється, то не буде тертя.
До недавнього часу вважається, що такий стан характерний тільки рідкого гелюю, але не так давно виявилося, що він властивий твердому гелію, а також інших речовин на основі босонів, температура якого близько до абсолютної нуль.
8. Надпровідність
Надпровідність – це квантовий ефект, в якому електростійкість частинок є нульовою, коли досягається критична температура (близька до абсолютного нуля), іншими словами, електричний струм проходить через такі матеріали практично без опору.
феномен отримав широке практичне застосування: зокрема, є так звані суперпровідники - як правило, кераміка, рідкий азот, температура якого становить 77 ° K, також може бути приписаний до них.
9. Навігація Згідно квантової теорії, створення точної копії будь-якого невідомого квантового стану неможливо. Клонування в класичному розумінні є точним копіюванням, але в квантових механіках, клонування має на увазі створення держави, що складається з декількох початкових станів двох або більше груп частинок.
Групи частинок можна зв'язати разом, а енергія між ними може бути взаємопов'язана. Однак не можна перенести енергетичний стан з абсолютною точністю від однієї групи до іншої, так як це суперечить принципам квантовоїплутаності, але ще можна створити абсолютно ідентичну копію.
10. Ейнштейн-Подільський-Росен парадокс
Цей парадокс пропонує, що закони квантової механіки в даний час неповні і повинні бути доповнені часом.
Припустимо, що дві частинки одночасно утворюються після розпаду оригінальної частинки: згідно з законом збереження імпульсу, загальний імпульс отриманих частинок повинен бути рівним імпульсом оригінальної частинки. Таким чином, ми можемо вимірювати імпульс одного з сформованих частинок і, використовуючи просту формулу, розрахувати імпульс другого частинок, утвореного одночасно з ним. Далі ми маємо можливість вимірювати імпульс другого частин, який ми вже прорахували, і таким чином отримуємо для нього значення двох кількостей, які не можна вимірювати одночасно, відповідно до законів квантової механіки.
Веб-камера
1,1 км Кіт Шредедер
У 1935 році фізик Ервін Шрьодіндер провів думаний експеримент, який згодом називався «Schrödinger’s Cat» – його теорія була предметом широкого обговорення в наукових колах і тепер використовується в квантових обчисленнях та квантовій криптографії.
Schrödinger призначений для того, щоб довести, що з дотриманням макроскопічних систем, невизначеність, яка виникає в таких випадках, можна уникнути безпосереднього спостереження об'єкта. Короткий підсумок своєї причини полягає в тому, що кішка повинна бути розміщена в герметичній коробці з гельською машиною всередині, яка в певних умовах випромінює отруйний газ для живих організмів. Є дуже невелика кількість радіоактивного матеріалу в тій же коробці, і один атом може розпадатися протягом найближчої години або з однаковою ймовірністю не загиблий.
Якщо ви не робите ніяких прямих спостережень в цей час, тобто не відкривати коробку з котом, то можна припустити, що кішка може залишатися живим і вмирати весь цей час. Відповідно, до підтвердження експерименту, кішка залишається як живим, так і мертвим, поки ми відкриваємо коробку і дивимося результат.
Точка полягає в тому, що це не буває в природі, і це стосується як живих організмів, так і атомів - нуклеус може бути або дискінтегрований або не дисінтегрований, а проміжний стан неможливо. Перед прямим спостереженням, однак, атом і кішка знаходяться в стані, що називається суперпозиція, тобто в двох штатах одночасно.
2,2 км Клейн парадокс
Уявіть проблему: релятивістична частинка повинна бути переміщена через потенційний бар’єр, при цьому потенційна енергія частинок менше висоти бар’єру - іншими словами, для подолання бар’єру недостатньо енергії. З точки зору класичної механіки таке явище неможливе, але за даними квантової механіки, частинка ще може подолати бар'єр.
Точно, не зовсім так: той факт, що при певній енергії використовується в міцному полі, другий, паровані частинки, або протичастина, буде народився, що буде з'явитися тільки на іншій стороні бар'єру.
3. У квантовий парадокс Zeno
Якщо ви постійно спостерігали нестабільні квантові частинки, це ніколи не може розпадатися, іншими словами, переглядаючи частинку, ми якось робимо зміни в її державі, наприклад, дати йому енергію або додатковий імпульс: більш стабільний стан частинок, швидше за все, він буде розпадати.
Цей феномен спостерігався тільки в 1989 році - експеримент був проведений Девідом Вейнландом: як тільки атоми були уражені ультрафіолетовим випромінюванням, їх перехід до дворівневого (збудженого) стану пригнічений.
4. Хвиля-Корпускулярний Dualism
Принцип даної концепції полягає в тому, що об'єкт може експонувати як хвильові властивості, так і корпускулярні властивості: наприклад, світло являє собою хвилю певної довжини, в багатьох випадках експонуються електромагнітні властивості, але таким же чином світло може бути представлений у вигляді елементарних частинок - фотон, тобто світло експонується корепускулярними властивостями.
З точки зору звичайної фізики це не логічно, але в квантовій фізикі ця ситуація допустима і, крім того, в разі світла, корпусу і хвильових властивостей доповнюють один одного.
Зараз дуалізму хвиль в основному є питанням теоретичного інтересу, оскільки квантові предмети не є частинками, ні хвилі в класичному розумінні.
5. Умань Квантове заплутування
Принцип квантового заплутування полягає в тому, що при взаємодії з однією частинкою з певної групи частинок, стан не тільки об'єкта безпосередньо впливає, але і всі інші об'єкти цієї групи зміни. Таким чином, об'єкти взаємопов'язані, і їх зв'язки залишаються постійними навіть коли вони знаходяться на значному відстані один від одного або в абсолютно різних умовах.
Наприклад, візьміть пару заплутаних фотонів: якщо змінити спіральність хребта першого фотона з позитиву до негативного, спіральність другого фотона завжди буде негативним. Якщо змінити спіральність першого фотона негативно, другий фотон набуває позитивної спіралі.
6. квантова телепортація
Телепортація в квантовій механікі значно відрізняється від телепортації, описаних в фантастичних роботах – в квантовій телепортації неможливо перенести енергію або матерію на певну відстань. У цьому випадку стан квантових частинок передається у присутності іншої, заплутаної частинки: в точці передачі цей стан руйнується, а в точці прийому його відтворюється.
Зауважте, що це не частинки, які знищуються, але тільки їх держава в момент відправлення/відведення – це не передача в прямому сенсі, а скоріше копіювання. Передача не здійснюється через квантовий канал, але через звичайний, і не може бути швидше, ніж швидкість світла.
7. Суперфлюїдність
Якщо температура матерії в стані квантової рідини охолоджується до стану близько до абсолютної нуль, то речовина буде придбати можливість протікання через вузькі канали, такі як капіляри, без тертя.
Наукова основа явища полягає в наступному: атоми матерії в стані квантової рідини (наприклад, ця форма часто бере гелію-3) - босони, а з точки зору квантової механіки будь-яка кількість її частинок може бути в однаковому стані. Чим ближче температура полягає в абсолютному нульовому, тим більше атомів знаходяться в одному енергетичному стані, а при температурі ультранизу енергія зіткнень може бути дуже невеликою, так що розсіювання енергії в проміжках між атомами не відбудеться - так як енергія не розсіюється, то не буде тертя.
До недавнього часу вважається, що такий стан характерний тільки рідкого гелюю, але не так давно виявилося, що він властивий твердому гелію, а також інших речовин на основі босонів, температура якого близько до абсолютної нуль.
8. Надпровідність
Надпровідність – це квантовий ефект, в якому електростійкість частинок є нульовою, коли досягається критична температура (близька до абсолютного нуля), іншими словами, електричний струм проходить через такі матеріали практично без опору.
феномен отримав широке практичне застосування: зокрема, є так звані суперпровідники - як правило, кераміка, рідкий азот, температура якого становить 77 ° K, також може бути приписаний до них.
9. Навігація Згідно квантової теорії, створення точної копії будь-якого невідомого квантового стану неможливо. Клонування в класичному розумінні є точним копіюванням, але в квантових механіках, клонування має на увазі створення держави, що складається з декількох початкових станів двох або більше груп частинок.
Групи частинок можна зв'язати разом, а енергія між ними може бути взаємопов'язана. Однак не можна перенести енергетичний стан з абсолютною точністю від однієї групи до іншої, так як це суперечить принципам квантовоїплутаності, але ще можна створити абсолютно ідентичну копію.
10. Ейнштейн-Подільський-Росен парадокс
Цей парадокс пропонує, що закони квантової механіки в даний час неповні і повинні бути доповнені часом.
Припустимо, що дві частинки одночасно утворюються після розпаду оригінальної частинки: згідно з законом збереження імпульсу, загальний імпульс отриманих частинок повинен бути рівним імпульсом оригінальної частинки. Таким чином, ми можемо вимірювати імпульс одного з сформованих частинок і, використовуючи просту формулу, розрахувати імпульс другого частинок, утвореного одночасно з ним. Далі ми маємо можливість вимірювати імпульс другого частин, який ми вже прорахували, і таким чином отримуємо для нього значення двох кількостей, які не можна вимірювати одночасно, відповідно до законів квантової механіки.
Веб-камера
