Топ-100

Три загадки квантового мира

0
Если ученым удастся понять, как работают законы квантового мира, то смогут использовать их действие в обычном мире, произведя тем самым настоящую революцию буквально во всех сферах нашей жизни.
Квантовая запутанность
Например, для передачи информации на огромные расстояния можно было бы использовать такое явление, как квантовая запутанность. Оно заключается в том, что при взаимодействии двух субатомных частиц они приобретают состояние запутанности — их скорость, положение и другие характеристики становятся взаимозависимыми в силу каких-то неизвестных науке процессов. Такие частицы могут мгновенно влиять друг на друга, даже если между ними огромное расстояние. В идеале, квантовое состояние частицы абсолютно зависимо от квантового состояния ее частицы-партнёра.
К примеру, если запутавшуюся частицу заставить вращаться по часовой стрелке, вторая частица немедленно начнет вращаться в обратную сторону. Возможно, это выглядит любопытно и не более, но давайте вдумаемся. С помощью этого явления можно воздействовать на объекты, которые находятся в миллиардах световых лет от нас! Эти удивительные свойства микрочастиц означают возможность мгновенной передачи информации со сверхсветовой скоростью. Эйнштейн называл этот феномен «мистическим дальнодействием».
Еще одно применение квантовой запутанности на практике возможно для создания более мощных вычислительных систем и компьютеров. Ученые Национального Исследовательского Технологического университета в Москве создали прототип квантового компьютера, который использует для хранения данных квантовые биты (q-биты или кубиты) вместо обычных. Преимущество использования кубитов в том, что один такой кубит может выполнять большое количество вычислений одновременно, что делает такой компьютер самым мощным из когда-либо созданных человеком. Сегодня прототипы квантовых компьютеров можно сравнить с обычными компьютерами в середине прошлого века — они занимают огромное помещение и могут выполнять лишь базовые операции.
Самой серьёзной проблемой на данном этапе остается эффективное кодирование информации — классическую двоичную систему пытаются переложить на систему квантовых запутанностей. Когда ученым это удастся, жизнь человечества кардинально изменится, ведь даже самый простой квантовый компьютер сможет решить сложнейшие уравнения с невероятным количеством переменных. Например, таких, которые описывают большой взрыв.
Принцип квантовой неопределенности
Еще одна удивительная особенность микромира была открыта, когда ученые провели известный эксперимент, демонстрирующий, как один объект может быть в двух местах одновременно. Оказалось, что во вселенной мельчайших частиц, кроме того, что информация может распространяться со сверхсветовой скоростью, простой факт наблюдения за экспериментом может изменять его результаты. Другими словами, поведение частиц в микромире меняется в зависимости от того, следим мы за ними или нет.
Это открытие было сделано Томасом Юнгом. Ученый пропускал фотоны сквозь металлическую пластину с двумя прорезями. Частицы, проскочившие в прорези, засвечивали проекционный экран позади пластины. Результаты эксперимента озадачивают ученых по сей день. После того как электрон был запущен в экран, он оставлял на проекторе такой след, как будто сквозь щели барьера пропустили не один электрон, а сразу два. Так, как если бы микрочастица каким-то образом сама себя клонировала и прошла сквозь обе щели одновременно. Но как один объект может быть в двух местах одновременно?
Пытаясь приблизиться к разгадке этого феномена, физики проследили за движением электронов, фотонов и других субатомных частиц. Они не просто изучали следы, оставленные на экране, они наблюдали за моментом прохождения частиц сквозь прорезь и открыли нечто поразительное.
Когда они следили за электронами, те вели себя как частицы, но, если наблюдение в этот момент не велось, электроны вели себя как волны, а экран фиксировал их интерференцию, что совершенно необъяснимо. Ученые сделали вывод, что сам процесс наблюдения влиял на природу субатомных частиц. Это явление ученые назвали «принципом квантовой неопределённости».
Существует одно техническое объяснение данного явления. Для того чтобы получить результаты опыта, нам необходимо физически увидеть его результат. Мы направляем на объекты свет и видим его отражение. Однако частицы микромира настолько малы и чувствительны к внешним воздействиям, что даже воздействие на них фотонов света может повлиять на результат эксперимента. При этом такое объяснение не даёт ответ на вопрос, почему свет не просто влияет на направление движения частиц, но и меняет саму их природу. Учёные всё еще не могут объяснить это феномен.
Это одно из самых загадочных явлений в квантовой физике. Смотрим на объект — видим частицу, не смотрим — имеем дело уже с волной. Когда результат эксперимента были опубликованы, ученые пришли в замешательство. Эйнштейн по этому поводу сказал: «Я не верю в квантовую физику, потому что луна на небе существует, даже если я на нее не смотрю».
Однако, современные ученые, повторив эксперимент Юнга с использованием современных инструментальных средств, не просто повторили результаты двухвековой давности, но и столкнулись с новым явлением, изменившим само восприятие времени. Электроны все так же пропускали сквозь пластину с двумя прорезями. Однако теперь ученые смогли начать наблюдение тогда, когда электроны уже прошли сквозь отверстие в пластине, но всё еще не ударились о проекционный экран. В результате электроны, которые до начала наблюдения вели себя как волны, в момент начала наблюдения становились частицами. Как если бы электроны в момент начала наблюдения вернулись назад во времени и начали вести себя как частицы, отменив свое волновое поведение до начала наблюдения.
Это одна из самых больших загадок квантового мира. Она же является самой большой проблемой при изучении микрочастиц. Сталкиваясь с принципом неопределенности, физики понимают, что просто не в состоянии с точностью определить местоположение частиц из-за их волновых свойств.
И, что более удивительно, когда ученые пытаются поймать частицу, она генерирует энергию и покидает пространство наблюдения до того, как ее местоположение и скорость будут определены. Принцип неопределенности показывает нам, что сама природа не позволяет поймать свои фундаментальные частицы. Несмотря на всю странность этого явления, может быть это и есть основной принцип существования нашего мира — мы просто ничего не можем знать с абсолютной точностью.
Квантовое туннелирование
Принцип неопределенности в микромире распространяется не только на расположение частиц, он касается, в том числе, и энергии частиц. Этот феномен был назван квантовым туннелированием и означает, что даже если у электрона недостаточно энергии, чтобы пройти сквозь материю, он все равно может это сделать. Это звучит невероятно, но принцип квантового туннелирования позволяет частице заимствовать энергию из будущего, чтобы преодолеть барьер, а затем возвращать ее. Хотя, на самом деле, потенциальный электрон уже находится по другую сторону стены.
С самого начала открытия удивительных свойств микромира, ученые задаются вопросом, можно ли применить в нашем привычном макромире явления квантового туннелирования, нахождение в нескольких местах одновременно, возвращение в прошлое… Большинство ученых категорически отвергают такую возможность. Дело в том, что тела в макромире состоят из огромного числа частиц и вряд ли возможно, чтобы все они одновременно исчезли в одном месте и появились в другом. Чем больше по размеру частица или чем больше количество субатомных частиц, тем сложнее процесс туннелирования.
В то же время все большее число ученых выдвигают новую сенсационную теорию для объяснения явлений квантового мира. Она заключается в том, что, так как мы состоим из крошечных частиц, которые могут находиться в нескольких местах одновременно, то это свойство касается и нас. Ученые называют это «многомировой интерпретацией квантовой физики». Они утверждают, что как электрон в опыте Юнга, люди проживают несколько разных жизней. Каждый раз, когда мы стоим перед выбором, мы не выбираем один вариант развития событий, а осуществляем сразу оба, только в параллельных измерениях нашей реальности. Это может звучать для нас неправдоподобно, но микромир именно так и существует.
Это значит, что существуют бесконечное число вселенных со всеми возможными исходами всех событий.
Источник: http://nauka-prosto.ru
Share.

Comments are closed.