петък, 26 май 2017 г.

Невероятният свят на квантовата механика


Невероятният свят на квантовата механика
 
Квантовата механика е дял от физиката, който изучава поведението на материята и енергията на молекулярни, атомни, ядрени и дори по-микроскопични нива. В началото на 20-ти век е било открито, че законите, на които се подчиняват макроскопичните обекти, не функционират по същия начин в света на микрочастиците.
   Думата "квантов" идва от латинското "Quantum" значещо "колко". Тя се отнася за дискретните единици материя и енергия, чието съществуване е предвидено и които са наблюдавани в квантовата физика.
   Сдобивайки се с технология за измерване с много голяма прецизност, учените са започнали да наблюдават странни феномени. Раждането на квантовата физика се свързва с труда на Макс Планк от 1900 година за лъченията на абсолютно черно тяло. Тогава той е бил физик в Берлин, изучаващ нещо наречено "ултравиолетова катастрофа". Проблемът бил, че законите на физиката предвиждали, че ако нагреете една кутия по такъв начин, че никаква светлина да не може да излезе (познато като "черна кутия"), тя би трябвало да произведе безкрайно количество ултравиолетова радиация. Но в реалния живот нищо такова не се случва. Кутията излъчва различни цветове - червено, синьо, бяло - точно както го прави нагрятият метал, но няма безкрайно количество от нищо. В това е нямало смисъл. Това са били законите на физиката, които перфектно са описвали поведението на светлината извън кутията. Защо не са описвали точно сценария с черната кутия? Планк е опитал математически трик. Той е предположил, че светлината не е наистина непрекъсната вълна, както всички са смятали, а може би може да съществува само с определено количество енергия на пакети или "кванти". Планк не е вярвал наистина, че това е вярно за светлината, даже по-късно той е нарекъл този математически трик "акт на отчаянието". Но с тази промяна, уравнението е проработило, описвайки точно лъчението на кутията. Минало е известно време, докато всички се съгласят с това откритие, като по-късно Айнщайн интерпретира уравненията на Планк за да обясни това, че смята светлината за съставена от дискретни частици, също като електроните или протоните, като така е обяснил фотоелектричния ефект, състоящ се в това, че попадайки върху някои материали, светлината може да избива електрони от повърхността им. През 1926 година физикът от Бъркли Гилбърт Люис е нарекъл тези дискретни частици фотони. Освен Макс Планк, други известни личности смятани за основоположници на теорията са Алберт Айнщайн, Нилс Бор, Ервин Шрьодингер и Вернер Хайзенберг. Иронично е, че Алберт Айнщайн е имал сериозни теоретични проблеми с квантовата механика и в продължение на много години се е опитвал да я опровергае или промени.
   През следващото десетилетие Нилс Бор е включил тази идея в неговото описание на това как работи атомът. Той е казал, че електроните обикалящи около ядрото, не може да имат произволно малко или произволно голямо количество енергия. Те може да имат само множество от стандартни "кванти" от енергия. В края на краищата, когато учените разбрали това, те си обяснили защо някои материали са проводници на електричеството, а други не са - защото атоми с електронни орбити с различни енергии, провеждат електричеството различно. Това разбиране е било много важно за изобретяването на транзистора, тъй като кристалът в неговото ядро е направен от смесица от материали с различна електрическа проводимост.
   Тук идва и една от странностите на квантовата механика: това че даден електрон или фотон може да се смята за частица, не означава, че той може да се приеме и за вълна. Всъщност в много експерименти светлината се държи повече като вълна, отколкото като частица. Тази вълнова природа поражда някои интересни ефекти. Например ако електрон обикалящ около ядро се държи като вълна, тогава неговата позиция във всеки един момент от време става неясна. Вместо да бъде в конкретна точка, електронът е размит в пространството. Това размиване означава, че електронът не винаги изминава пътя, който бихме очаквали да измине. За разлика от водата, течаща в една посока през маркуч, електрони които пътуват като електрически ток понякога могат да следват странни пътища, особено ако се движат близко до повърхността на материала. Освен това електрони държащи се като вълна, могат понякога да преминат през дадена преграда.

Невероятният свят на квантовата механика

   Интерпретирайки квантовата механика, учените смятат малките частици, като електроните или фотоните едновременно и за вълни и за частици. Могат да бъдат и двете неща, в зависимост от това как ги наблюдаваме и какви експерименти извършваме. Всъщност може да е по-точно да се каже, че електроните и фотоните не са нито вълна, нито частица. Те са недефинирани до момента, когато някой ги погледне или проведе експеримент с тях, което съответно да ги накара да бъдат или вълна или частица.
   Това оставя качествата на частиците недобре дефинирани. Например има теория от Вернер Хайзенберг наречена принцип на неопределеността. Той твърди, че ако изследовател иска да измери скоростта и позицията на дадена частица, той не може да го стори много точно и за двете. Ако измери скоростта внимателно, тогава не може да определи точно позицията и обратно. Това не означава, че той няма достатъчно добър измерващ инструмент. Просто ако скоростта е добре определена, то тогава не съществува добре определена позиция (електронът е размит като вълна). Алберт Айнщайн не е харесвал тази идея. Когато се е сблъскал с идеята, че законите на физиката са оставили място за такава неяснота, той е обявил: "Бог не играе на зарове с вселената!" Въпреки това повечето физици днес приемат законите на квантовата механика, като точно описание на субатомния свят. Наскоро дори тя е използвана за обяснение на някои макроскопични явления, като суперпроводниците, суперфлуидите и големите органични молекули.
   В света на квантовата физика, наблюдаването на нещо всъщност влияе на протичащите физически процеси. Светлинните вълни се държат като частици, а частиците се държат като вълни ( наричано вълнова двойнственост на частиците). Материята може да премине от едно място на друго без да се движи през пространството (наречено квантово тунелиране). Информацията се пренася мигновено през огромни разстояния. Всъщност в квантовата механика ние откриваме, че цялата вселена е една серия от вероятности. За щастие тези й особености не се проявяват, когато става дума за големи обекти, както ни демонстрира мисловният експеримент с котката на Шрьодингер.
  Квантовото поведение на частиците се описва от т.нар. вълнова функция. В теорията тя е математически обект, който се обозначава с гръжката буква Ψ (пси). В зависимост от експеримента, вълновата функция позволява на учените да изчислят вероятността да наблюдават електрон в дадена локация или шансът неговият спин да е ориентиран нагоре или надолу. Но математиката не хвърля светлина върху това какво представлява вълновата функция всъщност. Тя нещо физическо ли е? Или само изчислителен инструмент за справяне с игнорирането на света на наблюдателя?
  Тестовете, които се използват за да се установи това са изключително сложни и все още не могат да дадат дефинитивен отговор. Но изследователите са оптимисти, че решението е близо. Ако е така, те най-после ще могат да отговорят на въпросите, които стоят от десетилетия. Може ли частица наистина да бъде на много места по едно и също време? Вселената дели ли се постоянно на паралелни светове, всеки с алтернативна версия на нашата? Има ли изобщо такова нещо като обективна реалност?
   Една от ключовите концепции на теорията е тази за квантовата сплетеност. Тя описва ситуация, в която множество частици са асоциирани по такъв начин, че измерването на квантовото състояние на една от тях, поставя ограничения в измерванията на другите частици. Това се илюстрира най-добре от парадокса на Айнщайн-Подолски-Розен, който поставя под въпрос предвиждането на квантовата механика, че е невъзможно да се знаят едновременно позицията и импулсът на дадена квантова частица. Това е било през 1935 година, но през 1964 година  физикът Джон Бел е показал, че въпреки че Айнщайн е бил прав в идентифицирането на на пръв поглед парадоксални последствия от квантовата нелокалност, тези последствия могат да бъдат експериментално тествани. Неговите, както и други по-късно проведени експерименти неоспоримо са доказали принципите на квантовата сплетеност. Във всеки случай парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен показва, че съществуват експерименти, чрез които може да се измери състоянието на една частица и мигновено да се промени състоянието на неговия заплетен партньор - въпреки че двете частици могат да бъдат на произволно разстояние една от друга. Този ефект обаче няма последствия, тъй като не се случва прехвърляне на информация. Квантовото заплитане формира основата на квантовата криптография, която се използва при търговски приложения в банкирането и правителствения сектор, изискващи висока степен на сигурност. Друго приложение на квантовото заплитане може да се види в изследванията на квантовата телепортация. Тя се занимава с техники за пренос на квантова информация на произволни разстояния. За пръв път идеята за това е била публикувана през 1993 година. Оттогава досега квантова телепортация е била реализирана в множество физични системи. По настоящем рекордната дистанция за квантова телепортация на фотони е 143 км., а за телепортация на материални системи е 21 метра.
   По-отдалечена цел на учените е разработването на работещи квантови компютри, които се очаква да могат да извършват определени изчислителни задачи експоненциално по-бързо от класическите компютри.


Няма коментари:

Публикуване на коментар