Квантовая физика для начинающих. Физика - это что? Что такое квантовая физика? Приборы для измерений

Наука

Квантовая физика работает с изучением поведения самых маленьких вещей в нашей Вселенной: субатомных частиц. Это относительно новая наука, лишь в начале 20 века она стала таковой после того, как физиков стал интересовать вопрос, почему они не могут объяснить некоторые эффекты радиации. Один из новаторов того времени Макс Планк (Max Planck) при исследовании крошечных частиц с энергией использовал термин "кванты", отсюда и пошло название "квантовая физика". Планк отметил, что количество энергии, содержащейся в электронах, не является произвольным, а соответствует стандартам "квантовой" энергии. Одно из первых результатов практического применения этого знания стало изобретение транзистора.

В отличие от негибких законов стандартной физики, правила квантовой физики можно нарушать. Когда ученые полагают, что имеют дело с одним из аспектов исследования материи и энергии, появляется новый поворот событий, что напоминает им о том, как непредсказуема бывает работа в этой области. Тем не менее, они, даже если не полностью понимают происходящее, могут использовать результаты своей работы для разработки новых технологий, которые порой могут быть названы не иначе, как фантастическими.

В будущем, квантовая механика сможет помочь сохранить военные секреты, а также обеспечить безопасность и защитить ваш банковский счет от кибер-воров. Ученые в настоящее время работают на квантовых компьютерах, возможности которых выходят далеко за пределы обычного ПК. Разделенные на субатомные частицы, предметы в мгновение ока легко могут быть перенесены с одного места на другое. И, возможно, квантовая физика сможет дать ответ на самый интригующий вопрос относительно того, из чего состоит вселенная и как зародилась жизнь.

Ниже представлены факты, как квантовая физика может изменить мир. Как сказал Нильс Бор (Niels Bohr): "Тот, кто не шокирован квантовой механикой, просто еще не понял принцип ее работы".

Управление турбулентностью

Вскоре, возможно, благодаря квантовой физике, можно будет устранить турбулентные зоны, из-за которых вы проливаете сок в самолете. Путем создания квантовой турбулентности в ультрахолодных атомах газа в лаборатории, бразильские ученые, возможно, поймут работу турбулентных зон, с которыми сталкиваются самолеты и лодки. На протяжении веков, турбулентность ставила в тупик ученых из-за трудности ее воссоздания в лабораторных условиях.

Турбулентность вызывается сгустками газа или жидкости, но в природе кажется будто она формируется хаотично и формируется неожиданно. Хотя турбулентные зоны могут образовываться в воде и в воздухе, ученые обнаружили, что они также могут формироваться и в условиях ультрахолодных атомов газа или в среде сверхтекучего гелия. При помощи изучения этого явления в контролируемых лабораторных условиях, ученые в один прекрасный день смогут точно предсказывать место появления турбулентных зон, и, возможно, контролировать их в природе.

Спинтроника

Новый магнитный полупроводник, разработанный в Массачусетском технологическом институте, может привести к появлению еще более быстрого энергоэффективного электронного устройства в будущем. Называемая «спинтроника», эта технология использует спиновое состояние электронов для передачи и хранения информации. В то время, как обычные электронные схемы используют только зарядовое состояние электрона, спинтроника пользуется преимуществами спинового направления электрона.

Обработка информации с помощью схем спинтроники позволит данным накапливаться сразу с двух направлений одновременно, что так же уменьшит размер электронных схем. Этот новый материал внедряет электрон в полупроводник на основе его спиновой ориентации. Электроны проходят через полупроводник и становятся готовыми быть спин-детекторами на стороне выхода. Ученые утверждают, что новые полупроводники могут работать при комнатной температуре и являются оптически прозрачными, что означает возможность работы с сенсорными экранами и солнечными батареями. Они также полагают, что это поможет изобретателям придумать еще более многофункциональные устройства.

Параллельные миры

Вы никогда не задумывались о том, какой бы была наша жизнь, если у нас была возможность путешествовать во времени? Вы бы убили Гитлера? Или присоединились бы к римским легионам для того, чтобы увидеть древний мир? Тем не менее, пока мы все фантазируем на тему, чтобы мы сделали, если бы у нас была возможность вернуться в прошлое, ученые из калифорнийского университета Санта-Барбары уже очищают путь к восстановлению обид прошлых лет.

В эксперименте 2010 года ученым удалось доказать, что объект может одновременно существовать в двух разных мирах. Они изолировали крошечных кусочек металла и в специальных условиях обнаружили, что он двигался и стоял на месте одновременно. Однако, кто-то может посчитать это наблюдение бредом, вызванным переутомлением, все же физики говорят, что наблюдения за объектом действительно показывают, что он распадается во Вселенной на две части – одну из них мы видим, а другую нет. Теории параллельных миров в один голос говорят о том, что абсолютно любой объект распадается.

Сейчас ученые пытаются выяснить, как можно "перепрыгнуть" момент распада и войти в тот мир, который нам не видим. Это путешествие в параллельные вселенные во времени теоретически должно работать, поскольку квантовые частицы движутся и вперед, и назад во времени. Теперь, все, что ученые должны сделать – это построить машину времени с помощью квантовых частиц.

Квантовые точки

В скором времени, квантовые физики смогут помочь докторам обнаруживать раковые клетки в организме и точно определять, куда они распространились. Ученые обнаружили, что некоторые мелкие полупроводниковые кристаллы, называемые квантовыми точками, могут светиться под воздействием ультрафиолетового излучения, а также их удалось сфотографировать при помощи специального микроскопа. Затем их соединили с особым, «привлекательным» для раковых клеток материалом. При попадании в организм светящиеся квантовые точки притягивались к раковым клеткам, показывая тем самым, врачам, где именно искать. Свечение продолжается достаточно длительное время, и для ученых процесс настройки точек под характеристики конкретного вида рака относительно несложен.

Хотя высокотехнологичная наука, безусловно, несет ответственность за многие медицинские достижения, человек на протяжении веков зависим от многих других средств борьбы с заболеванием.

Молитва

Трудно представить себе, что может быть общего между коренным американцем, целителем-шаманом и пионерами квантовой физике. Однако, между ними все же есть нечто общее. Нильс Бор, один из ранних исследователей этой странной области науки, полагал, что многое из того, что мы называем реальностью зависит от "эффекта наблюдателя", то есть связь между тем, что происходит, и как мы это видим. Эта тема породила развитие серьезных дебатов между специалистами квантовой физики, однако, эксперимент, проведенный Бором более полувека назад, подтвердил его предположение.

Все это означает, что наше сознание влияет на реальность и может изменить ее. Повторяющиеся слова молитвы и ритуалы церемонии шамана-целителя могут быть попытками изменить направление "волны", которая создает реальность. Большинство обрядов проводятся также в присутствии многочисленных наблюдателей, указывая на то, что чем больше "волн исцеления" исходит от наблюдателей, тем мощнее они оказывают воздействие на реальность.

Взаимосвязь объектов

Взаимосвязь объектов может в дальнейшем оказать огромное влияние на солнечную энергию. Взаимосвязь объектов подразумевает квантовую взаимозависимость атомов, разделенных в реальном физическом пространстве. Физики полагают, что взаимосвязь может образоваться в части растений, ответственных за фотосинтез, или преобразование света в энергию. Структуры, ответственные за фотосинтез, хромофоры, могут превращать 95 процентов получаемого света в энергию.

Сейчас ученые изучают, как эта взаимосвязь на квантовом уровне может повлиять на создание солнечной энергии в надежде создания эффективных естественных солнечных элементов. Специалисты также обнаружили, что водоросли могут использовать некоторые положения квантовой механики для перемещения получаемой от света энергии, а также сохранять ее в двух местах одновременно.

Квантовые вычисления

Другой не менее важный аспект квантовой физики может быть применен в компьютерной сфере, где особый тип сверхпроводящего элемента дает компьютеру беспрецедентную скорость и силу. Исследователи объясняют, что элемент ведет себя как искусственные атомы, поскольку они могут только либо получить, либо потерять энергию путем перемещения между дискретными уровнями энергии. Самый сложный по строению атом обладает пятью уровнями энергии. Эта сложная система («кудит») обладает значительными преимуществами по сравнению с работой предыдущих атомов, у которых было лишь два уровня энергии («кубит»). Кудиты и кубиты это часть битов, используемых в стандартных компьютерах. Квантовые компьютеры в своей работе будут использовать принципы квантовой механики, что позволит им выполнять вычисления гораздо быстрее и точнее по сравнению с традиционными компьютерами.

Существует, однако, проблема, которая может возникнуть, если квантовые вычисления станут реальностью – криптография, или кодирование информации.

Квантовая криптография

Вся информация, начиная от номера вашей кредитной карты и заканчивая сверхсекретными военными стратегиями, есть в сети интернета, а квалифицированный хакер с достаточным количеством знаний и мощным компьютером может опустошить ваш банковский счет или подвергнуть мировую безопасность угрозе. Специальная кодировка держит эту информацию под секретом, а компьютерные специалисты постоянно работают над созданием новых, более безопасных методов кодирования.

Кодирование информации внутри отдельной частицы света (фотон) уже давно является целью квантовой криптографии. Казалось, что ученые университета Торонто уже очень близко подошли к созданию этого метода, поскольку им удалось закодировать видео. Шифрование включает в себя строки из нулей и единиц, которые и являются «ключом». Добавление ключа один раз кодирует информацию, добавление его повторно, декодирует ее. Если постороннему человеку удается получить ключ, то информация может быть взломана. Но даже если ключи будут использованы на квантовом уровне, уже сам факт их применения будет наверняка подразумевать наличие хакера.

Телепортация

Это научная фантастика, не более. Однако, она была осуществлена, но только не с участием человека, а с участием больших молекул. Но в этом то и заключается проблема. Каждая молекула в организме человека должна быть отсканирована с двух сторон. Но это вряд ли произойдет в ближайшее время. Есть еще одна проблема: как только вы сканируете частицу, по законам квантовой физики, вы меняете ее, то есть у вас нет возможности сделать ее точную копию.

Вот где проявляется взаимосвязь объектов. Она связывает два объекта так, будто они являются единым целым. Мы сканируем одну половину частицы, а телепортируемая копия будет сделана другой половиной. Это будет точная копия, поскольку мы не измеряли саму частицу, мы измеряли ее двойника. То есть частица, которую мы измерили, будет разрушена, но ее точная копия реанимирована ее двойником.

Частицы Бога

Ученые используют очень огромное свое творение – большой адронный коллайдер – для того, чтобы исследовать нечто крайне маленькое, но очень важное – фундаментальные частицы, которые, как полагаются, лежат в основе зарождения нашей Вселенной.

Частицы Бога – это то, что, как утверждают ученые, дает массу элементарным частицам (электронам, кваркам и глюонам). Специалисты считают, что частицы Бога должны пронизывать все пространство, но до сих пор существование этих частиц не доказано.

Обнаружение этих частиц помогло бы физикам понять, как Вселенная оправилась после Большого Взрыва и превратилась в то, что нам известно о ней сегодня. Это также помогло бы объяснить, как вещество балансирует с антивеществом. Короче говоря, выделение этих частиц поможет объяснить все.

Думаю, можно сказать, что никто не понимает квантовую механику

Физик Ричард Фейнман

Высказывание о том, что изобретение полупроводниковых приборов было революцией, не будет преувеличением. Это не только впечатляющее технологическое достижение, но оно также проложило путь для событий, которые навсегда изменяют современное общество. Полупроводниковые приборы применяются во всевозможных устройствах микроэлектроники, в том числе и в компьютерах, отдельных видах медицинского диагностического и лечебного оборудования, популярных телекоммуникационных устройствах.

Но за этой технологической революцией стоит даже больше, революция в общей науке: область квантовой теории . Без этого прыжка в понимании естественного мира, развитие полупроводниковых приборов (и более продвинутых разрабатываемых электронных устройств) никогда бы не удалось. Квантовая физика - это невероятно сложный раздел науки. В данной главе дается лишь краткий обзор. Когда ученые уровня Фейнмана говорят, что «никто не понимает [это]», вы можете быть уверены, что это действительно сложная тема. Без базового понимания квантовой физики или, по крайней мере, понимания научных открытий, которые привели к их разработке, невозможно понять, как и почему работают полупроводниковые электронные приборы. Большинство учебников по электронике пытаются объяснить полупроводники с точки зрения «классической физики», в результате делая их еще более запутанными для понимания.

Многие из нас видели диаграммы моделей атомов, которые похожи на рисунок ниже.

Атом Резерфорда: отрицательные электроны вращаются вокруг небольшого положительного ядра

Крошечные частицы материи, называемые протонами и нейтронами , составляют центр атома; электроны вращаются как планеты вокруг звезды. Ядро несет положительный электрический заряд, благодаря наличию протонов (нейтроны не имеют никакого электрического заряда), в то время как уравновешивающий отрицательный заряд атома находится в движущихся по орбите электронах. Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам, как планеты притягиваются силой притяжения к Солнцу, однако орбиты стабильны, благодаря движению электронов. Мы обязаны этой популярной моделью атома работе Эрнеста Резерфорда, который примерно в 1911 году экспериментально определил, что положительные заряды атомов сосредоточены в крошечном, плотном ядре, а не равномерно распределены по диаметру, как ранее предполагал исследователь Дж. Дж. Томсон.

Эксперимент Резерфорда по рассеянию заключается в бомбардировке тонкой золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами, как показано на рисунке ниже. Молодые аспиранты Х. Гейгер и Э. Марсден получили неожиданные результаты. Траектория движения некоторых альфа-частиц была отклонена на большой угол. Некоторые альфа-частицы были рассеяны в обратном направлении, под углом почти на 180°. Большинство частиц прошло через золотую фольгу, не изменив траекторию пути, будто фольги и не было совсем. Факт того, что несколько альфа-частиц испытывали большие отклонения в траектории движения, указывает на присутствие ядер с небольшим положительным зарядом.

Рассеяние Резерфорда: пучок альфа-частиц рассеивается тонкой золотой фольгой

Хотя модель атома Резерфорда подтверждалась экспериментальными данными лучше, чем модель Томсона, она всё еще была неидеальна. Были предприняты дальнейшие попытки определения структуры атома, и эти усилия помогли проложить путь для странных открытий квантовой физики. Сегодня наше понимание атома немного сложнее. Тем не менее, несмотря на революцию квантовой физики и ее вклад в наше понимание строения атома, изображение солнечной системы Резерфорда в качестве структуры атом, прижилось в массовом сознании до такоей степени, что оно сохраняется в областях образования, даже если оно неуместно.

Рассмотрим это краткое описание электронов в атоме, взятое из популярного учебника по электронике:

Вращающиеся отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру, которое приводит нас к вопросу о том, почему электроны не летят в ядро атом. Ответ в том, что вращающиеся электроны остаются на своей стабильной орбите из-за двух равных, но противоположных сил. Центробежная сила, действующая на электроны, направлена наружу, а сила притяжения зарядов пытается притянуть электроны к ядру.

В соответствии с моделью Резерфорда, автор считает электроны твердыми кусками материи, занимающими круглые орбиты, их притяжение внутрь к противоположно заряженному ядру уравновешивается их движением. Использование термина «центробежная сила» технически неверно (даже для вращающихся на орбитах планет), но это легко простить из-за популярного принятия модели: на самом деле, не существует такого понятия, как сила, отталкивающая любое вращающееся тело от центра его орбиты. Кажется, что это так потому, что инерция тела стремиться сохранить его движение по прямой линии, а так как орбита является постоянным отклонением (ускорением) от прямолинейного движения, есть постоянное инерционное противодействие к любой силе, притягивающей тело к центру орбиты (центростремительной), будь то гравитация, электростатическое притяжения, или даже натяжение механической связи.

Тем не менее, реальная проблема с этим объяснением, в первую очередь, заключается в идее электронов, движущихся по круговым орбитам. Проверенный факт, что ускоренные электрические заряды испускают электромагнитное излучение, этот факт был известен даже во времена Резерфорда. Так как вращательное движение является формой ускорения (вращающийся объект в постоянном ускорении, уводящем объект от нормального прямолинейного движения), электроны во вращающемся состоянии должны выбрасывать излучение, как грязь от буксующего колеса. Электроны, ускоренные по круговым траекториям, в ускорителях частиц, называемых синхротронами , как известно, делают это, и результат называется синхротронное излучение . Если бы электроны теряли энергию таким способом, их орбиты, в конечном счете, нарушились бы, и в результате они столкнулись бы с положительно заряженным ядром. Тем не менее, внутри атомов этого обычно не происходит. Действительно, электронные «орбиты» удивительно устойчивы в широком диапазоне условий.

Кроме того, эксперименты с «возбужденными» атомами показали, что электромагнитная энергия излучается атомом только на определенных частотах. Атомы «возбуждаются» внешними воздействиями, такими как свет, как известно, чтобы поглотить энергию и вернуть электромагнитные волны на определенных частотах, как камертон, который не звонит на определенной частоте, пока его не ударят. Когда свет, излучаемый возбужденным атомом, делится призмой на составные частоты (цвета), обнаруживаются отдельные линии цветов в спектре, картина спектральных линий является уникальной для химического элемента. Это явление обычно используется для идентификации химических элементов, и даже для измерения пропорций каждого элемента в соединении или химической смеси. Согласно солнечной системе атомной модели Резерфорда (относительно электронов, как кусков материи, свободно вращающихся на орбите с каким-то радиусом) и законам классической физики, возбужденные атомы должны вернуть энергию в практически бесконечном диапазоне частот, а не на избранных частотах. Другими словами, если модель Резерфорда была правильной, то не было бы эффекта «камертона», и цветовой спектр, излучаемый любым атомом, выглядел бы как непрерывная полоса цветов, а не как несколько отдельных линий.

Боровская модель атома водорода (с орбитами, нарисованными в масштабе) предполагает нахождение электронов только на дискретных орбитах. Электроны, переходящие с n=3,4,5 или 6 на n=2, отображаются на серии спектральных линий Бальмера

Исследователь по имени Нильс Бор попытался улучшить модель Резерфорда, после ее изучения в лаборатории Резерфорда в течение нескольких месяцев в 1912 году. Пытаясь согласовать результаты других физиков (в частности, Макса Планка и Альберта Эйнштейна), Бор предположил, что каждый электрон обладал определенным, конкретным количеством энергии, и что их орбиты распределяются таким образом, что каждый из них может занимать определенные места вокруг ядра, как шарики, зафиксированные на круговых дорожках вокруг ядра, а не как свободно двигающиеся спутники, как предполагалось ранее (рисунок выше). В знак уважения к законам электромагнетизма и ускоряющих зарядов Бор ссылался на «орбиты», как на стационарные состояния , чтобы избежать трактования, что они были подвижны.

Хотя амбициозная попытка Бора переосмысления строения атома, которое ближе согласовывалось с экспериментальными данными, и была важной вехой в физике, но не была завершена. Его математический анализ лучше предсказывал результаты экспериментов по сравнению с анализами, производимых согласно предыдущим моделям, но еще оставались без ответов вопросы о том, почему электроны должны вести себя таким странным образом. Утверждение, что электроны существовали в стационарных квантовых состояниях вокруг ядра, соотносилось с экспериментальными данными лучше, чем модель Резерфорда, но не говорило, что заставляет электроны принимать эти особые состояния. Ответ на этот вопрос должен был прийти от другого физика Луи де Бройля спустя примерно десять лет.

Де Бройль предположил, что электроны, как фотоны (частицы света), обладают и свойствами частиц, и свойствами волн. Опираясь на это предположение, он предположил, что анализ вращающихся электронов с точки зрения волн подходит лучше, чем с точки зрения частиц, и может дать больше понимания об их квантовой природе. И действительно, в понимании был совершен еще один прорыв.

Струна, вибрирующая на резонансной частоте между двумя фиксированными точками, образует стоячую волну

Атом, согласно де Бройлю, состоял из стоячих волн, явление, хорошо известное физикам в различных формах. Как дернутая струна музыкального инструмента (рисунок выше), вибрирующая на резонансной частоте, с «узлами» и «антиузлами» в стабильных местах вдоль своей длины. Де Бройль представил электроны вокруг атомов в виде волн, изогнутых в круг (рисунок ниже).

«Вращающийся» электроны, как стоячая волна вокруг ядра, (a) два цикла в орбите, (b) три цикла в орбите

Электроны могут существовать только на определенных, конкретных «орбитах» вокруг ядра, потому что они являются единственными расстояниями, на которых концы волны совпадают. При любом другом радиусе волна будет разрушительно сталкиваться сама с собой и, таким образом, перестанет существовать.

Гипотеза де Бройля дала как математическое обеспечение, так и удобную физическую аналогию для объяснения квантовых состояний электронов внутри атома, но его модель атома была всё еще неполной. В течение нескольких лет физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, работая независимо друг от друга, трудились над концепцией корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, чтобы создать более строгие математические модели субатомных частиц.

Этому теоретическому продвижению от примитивной модели стоячей волны де Бройля к моделям матрицы Гейзенберга и дифференциального уравнения Шредингера было дано название квантовая механика, она ввела довольно шокирующую характеристику в мир субатомных частиц: признак вероятности, или неопределенности. По новой квантовой теории, было невозможно определить точное положение и точный импульс частицы в один момент. Популярное объяснение этого «принципа неопределенности» заключалось в том, что существовала погрешность измерения (то есть, пытаясь точно измерить положение электрона, вы мешаете его импульсу, и, следовательно, не можете знать, что было до начала измерения положения, и наоборот). Сенсационный вывод квантовой механики заключается в том, что частицы не имеют точных положений и импульсов, и из-за связи этих двух величин их совокупная неопределенность никогда не уменьшится ниже определенного минимального значения.

Эта форма связи «неопределенности» существует и в других областях, кроме квантовой механики. Как обсуждалось в главе «Сигналы переменного тока смешанной частоты» тома 2 этой серии книг, есть взаимоисключающие связи между уверенностью в данных временной области формы сигнала и его данными в частотной области. Проще говоря, чем больше мы знаем его составляющие частоты, тем менее точно мы знаем его амплитуду во времени, и наоборот. Цитирую себя:

Сигнал бесконечной длительности (бесконечное количество циклов) может быть проанализирован с абсолютной точностью, но чем меньше циклов доступно компьютеру для анализа, тем меньше точность анализа... Чем меньше периодов сигнала, тем меньше точность его частоты. Принимая эту концепцию до ее логической крайности, короткий импульс (даже не полный период сигнала) на самом деле не имеет определенной частоты, представляет собой бесконечный диапазон частот. Данный принцип является общим для всех волновых явлений, а не только для переменных напряжений и токов.

Чтобы точно определить амплитуду изменяющегося сигнала, мы должны измерить его в очень короткий промежуток времени. Однако выполнение этого ограничивает наши знания о частоте волны (волна в квантовой механике не должна быть подобно синусоидальной волне; такое подобие является частным случаем). С другой стороны, чтобы определить частоту волны с большой точностью, мы должны измерять его в течение большого количества периодов, а значит, мы потеряем из виду его амплитуду в любой заданный момент. Таким образом, мы не можем одновременно знать мгновенную амплитуду и все частоты любой волны с неограниченной точностью. Еще одна странность, эта неопределенность гораздо больше неточности наблюдателя; она находится в самой природе волны. Это не так, хотя можно бы, учитывая соответствующие технологии, обеспечить точные измерения и мгновенной амплитуды, и частоты одновременно. В буквальном смысле, волна не может точную мгновенную амплитуду и точную частоту одновременно.

Минимальная неопределенность положения частицы и импульса, выраженная Гейзенбергом и Шредингером, не имеет ничего общего с ограничением в измерении; скорее это внутреннее свойство природы корпускулярно-волнового дуализма частицы. Следовательно, электроны на самом деле не существуют в своих «орбитах» как точно определенные частицы материи или даже как точно определенные формы волн, а скорее как «облака» - технический термин волновой функции распределения вероятности, как если бы каждый электрон был «рассеян» или «размазан» в диапазоне положений и импульсов.

Этот радикальный взгляд на электроны, как на неопределенные облака поначалу противоречит изначальному принципу квантовых состояний электронов: электроны существуют в дискретных, определенных «орбитах» вокруг ядра атома. Этот новый взгляд, в конце концов, был открытием, которое привело к образованию и объяснению квантовой теории. Как странно кажется, что теория, созданная для объяснения дискретного поведения электронов, заканчивается, объявив, что электроны существуют как «облака», а не как отдельные кусочки материи. Тем не менее, квантовое поведение электронов зависит не от электронов, имеющих определенные значения координат и импульса, а от других свойств, называемых квантовыми числами . В сущности, квантовая механика обходится без распространенных понятий абсолютного положения и абсолютного момента, а заменяет их абсолютными понятиями таких типов, у которых нет аналогов в общей практике.

Даже если электроны, как известно, существуют в бесплотных, «облачных» формах распределенной вероятности, а не в виде отдельных частей материи, эти «облака» имеют несколько другие характеристики. Любой электрон в атоме может быть описан четырьмя числовыми мерами (упомянутыми ранее квантовыми числами), которые называются главное (радиальное) , орбитальное (азимутальное) , магнитное и спиновое числа. Ниже представлен краткий обзор значения каждого из этих чисел:

Главное (радиальное) квантовое число : обозначается буквой n , это число описывает оболочку, на которой пребывает электрон. Электронная «оболочка» представляет собой область пространства вокруг ядра атома, на которой электроны могут существовать, соответствуя моделям стабильной «стоячей волны» де Бройля и Бора. Электроны могут «прыгать» с оболочки на оболочку, но не могут существовать между ними.

Главное квантовое число должно быть положительным целым числом (большим или равным 1). Другими словами, главное квантовое число электрона не может быть 1/2 или -3. Эти целые числа были выбраны не произвольно, а через экспериментальные доказательства светового спектра: разные частоты (цвета) света, излучаемые возбужденными атомами водорода, следуют математической зависимости, зависящей от конкретных целых значений, как показано на рисунке ниже.

Каждая оболочка обладает способностью удерживать несколько электронов. В качестве аналогии для электронных оболочек можно привести концентрические ряды сидений в амфитеатре. Так же, как человек, сидящий в амфитеатре, должен выбрать ряд, чтобы сесть (он не может сесть между рядов), электроны должны «выбрать» конкретную оболочку, чтобы «сесть». Как и ряды в амфитеатре, крайние оболочки удерживают больше электронов по сравнению с оболочками ближе к центру. Также электроны стремятся найти наименьшую доступную оболочку, как люди в амфитеатре ищут место, ближайшее к центральной сцене. Чем выше номер оболочки, тем больше энергии у электронов на ней.

Максимальное количество электронов, которое какая-либо оболочка может удерживать, описывается уравнение 2n 2 , где n - главное квантовое число. Таким образом, первая оболочка (n = 1) может содержать 2 электрона; вторая оболочка (n = 2) - 8 электронов; и третья оболочка (n = 3) - 18 электронов (рисунок ниже).

Главное квантовое число n и максимальное количество электронов связаны формулой 2(n 2). Орбиты не в масштабе.

Электронные оболочки в атоме были обозначаются буквами, а не цифрами. Первая оболочка (n = 1) была обозначена K, вторая оболочка (n = 2) L, третья оболочка (n = 3) M, четвертая оболочка (n = 4) N, пятая оболочка (n = 5) O, шестая оболочка (n = 6) P, и седьмая оболочка (n = 7) B.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число : оболочка, состоящая из подоболочек. Кому-то может быть удобнее думать о подоболочках как о простых секциях оболочек, как полосы делящие дорогу. Подоболочки гораздо более странны. Подоболочки - это области пространства, где могут существовать электронные «облака», и на самом деле различные подоболочки имеют различные формы. Первая подоболочка в форме шара (рисунок ниже (s)), который имеет смысл, когда визуализируется в виде электронного облака, окружающего ядро атома в трех измерениях.

Вторая подоболочка напоминает гантель, состоящую из двух «лепестков», соединенных в одной точке недалеко от центра атома (рисунок ниже (p)).

Третья подоболочка обычно напоминает набор из четырех «лепестков», сгруппированных вокруг ядра атома. Эти формы подоболочек напоминают графические изображения диаграмм направленности антенн с лепестками, похожими на луковицы, простирающимися от антенны в различных направлениях (рисунок ниже (d)).

Орбитали:
(s) трехкратная симметричность;
(p) Показана: p x , одна из трех возможных ориентаций (p x , p y , p z), вдоль соответствующих осей;
(d) Показана: d x 2 -y 2 похожа на d xy , d yz , d xz . Показана: d z 2 . Количество возможных d-орбиталей: пять.

Допустимыми значениями орбитального квантового числа являются положительные целые числа, как и для главного квантового числа, но также включают в себя ноль. Эти квантовые числа для электронов обозначаются буквой l. Количество подоболочек равно главному квантовому числу оболочки. Таким образом, первая оболочка (n = 1) имеет одну подоболочку с номером 0; вторая оболочка (n = 2) имеет две подоболочки с номерами 0 и 1; третья оболочка (n = 3) имеет три подоболочки с номерами 0, 1 и 2.

Старое соглашение описания подоболочек использовало буквы, а не цифры. А этом формате, первая подоболочка (l = 0) обозначалась s, вторая подоболочка (l = 1) обозначалась p, третья подоболочка (l = 2) обозначалась d, и четвертая подоболочка (l = 3) обозначалась f. Буквы пришли от слов: sharp , principal , diffuse и fundamental . Вы по-прежнему можете увидеть эти обозначения во многих периодических таблицах, используемые для обозначения электронной конфигурации внешних (валентных ) оболочек атомов.

(a) представление атома серебра по Бору,
(b) орбитальное представление Ag с разделением оболочек на подоболочки (орбитальное квантовое число l).
Данная диаграмма не подразумевает ничего о фактическом положении электронов, а представляет только энергетические уровни.

Магнитное квантовое число : Магнитное квантовое число для электрона классифицирует, ориентацию фигуры подоболочки электрона. «Лепестки» подоболочек могут быть направлены в нескольких направлениях. Эти различные ориентации называются орбиталями. Для первой подоболочки (s; l = 0), которая напоминает сферу, «направление» не указывается. Для второй (p; l = 1) подоболочки в каждой оболочке, которая напоминает гантель, указывающую в трех возможных направлениях. Представьте три гантели, пересекающиеся в начале координат, каждая направлена вдоль своей оси в трехосной системе координат.

Допустимые значения для данного квантового числа состоят из целых чисел, начиная от -l до l, а обозначается данное число как m l в атомной физике и l z в ядерной физике. Чтобы рассчитать количество орбиталей в любой подоболочке, необходимо удвоить номер подоболочки и добавить 1, (2∙l + 1). Например, первая подоболочка (l = 0) в любой оболочке содержит одну орбиталь с номером 0; вторая подоболочка (l = 1) в любой оболочке содержит три орбитали с номерами -1, 0 и 1; третья подоболочка (l = 2) содержит пять орбиталей с номерами -2, -1, 0, 1 и 2; и так далее.

Как и главное квантовое число, магнитное квантовое число возникло прямо из экспериментальных данных: эффект Зеемана, разделение спектральных линий, подвергая ионизированный газ воздействию магнитного поля, отсюда и название «магнитное» квантовое число.

Спиновое квантовое число : как и магнитное квантовое число, данное свойство электронов атома было обнаружено с помощью экспериментов. Тщательное наблюдение спектральных линий показало, что каждая линия была на самом деле парой очень близко расположенных линий, было предположение, что эта так называемая тонкая структура была результатом каждого электрона, «вращающегося» вокруг своей оси, как планета. Электроны с разным «вращением» отдавали бы немного отличающиеся частоты света при возбуждении. Концепция вращающегося электрона в настоящее время устарела, будучи более подходящей для (неправильного) взгляда на электроны, как на отдельные частицы материи, а не как на «облака», но название осталось.

Спиновые квантовые числа обозначаются как m s в атомной физике и s z в ядерной физике. На каждой орбитали на каждой подоболочке в каждой оболочке может быть два электрона, один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.

Физик Вольфганг Паули разработал принцип, объясняющий упорядоченность электронов в атоме в соответствии с этими квантовыми числами. Его принцип, называемый принципом запрета Паули , утверждает, что два электрона в одном атоме не могут занимать одинаковые квантовые состояния. То есть, каждый электрон в атоме имеет уникальный набор квантовых чисел. Это ограничивает число электронов, которые могут занимать какую-либо орбиталь, подоболочку и оболочку.

Здесь показано расположение электронов в атоме водорода:

С одним протоном в ядре, атом принимает один электрон для своего электростатического баланса (положительный заряд протона в точности уравновешивается отрицательным зарядом электрона). Этот электрон находится на нижней оболочке (n = 1), первой подоболочке (l = 0), на единственной орбитали (пространственная ориентация) этой подоболочки (m l = 0), с значением спина 1/2. Общий метод описания этой структуры выполняется с помощью перечисления электронов в соответствии с их оболочками и подоболочками согласно соглашению, называемому спектроскопическим обозначением . В этом обозначении, номер оболочки показывается как целое число, подоболочка как буква (s,p,d,f), и общее количество электронов в подоболочке (все орбитали, все спины) как верхний индекс. Таким образом, водород с его единственным электроном, размещенным на базовом уровне, описывается как 1s 1 .

Переходя к следующему атому (по порядку атомного номера), мы получаем элемент гелий:

Атом гелия состоит из двух протонов в ядре, а это требует два электрона, чтобы сбалансировать двойной положительный электрический заряд. Так как два электрона - один со спином 1/2 и другой со спином -1/2 - находятся на одной орбитали, электронная структура гелия не требует дополнительных подоболочек или оболочек, чтобы удерживать второй электрон.

Тем не менее, атом, требующий три и более электрона, будет нуждаться в дополнительных подоболочках, чтобы удерживать все электроны, так как только два электрона могут находиться на нижней оболочке (n = 1). Рассмотрим следующий атом в последовательности увеличивающихся атомных номеров, литий:

Атом лития использует часть емкости L оболочки (n = 2). Эта оболочка на самом деле имеет общую емкость величиной восемь электронов (максимальная емкость оболочки = 2n 2 электронов). Если мы рассмотрим структуру атома с полностью заполненной L оболочкой, мы увидим, как все комбинации подоболочек, орбиталей и спинов заняты электронами:

Часто, при назначении атому спектроскопического обозначения, любые полностью заполненные оболочки пропускаются, а не заполненные оболочки и заполненные оболочки высшего уровня обозначаются. Например, элемент неон (показан на рисунке выше), который имеет две полностью заполненных оболочки, может быть спектрально описан просто как 2p 6 , а не как 1s 22 s 22 p 6 . Литий с его полностью заполненной K-оболочкой и единственным электроном на L-оболочке, может быть описан просто как 2s 1 , а не 1s 22 s 1 .

Пропуск полностью заполненных оболочек нижнего уровня выполняется не только для удобства записи. Он также иллюстрирует основной принцип химии: химическое поведение элемента в первую очередь определяется его незаполненными оболочками. И водород, и литий обладают на своих внешних оболочках одним электроном (as 1 и 2s 1 соответственно), то есть, оба элемента обладают схожими свойствами. Оба обладают высокой реакционной способностью, и вступают в реакции почти одинаковыми способами (связывание с аналогичными элементами в аналогичных условиях). Не имеет большого значения, что литий имеет полностью заполненную K-оболочку под почти свободной L-оболочкой: незаполненная L-оболочка - это та оболочка, которая и определяет его химическое поведение.

Элементы, имеющие полностью заполненные внешние оболочки, классифицируются как благородные и отличаются почти полным отсутствием реакции с другими элементами. Эти элементы классифицировались как инертные, когда считалось, что они совсем не вступают в реакции, но, как известно, они образуют соединения с другими элементами при определенных условиях.

Так как элементы с одинаковыми конфигурациями электронов в своих внешних оболочках имеют сходные химические свойства, Дмитрий Менделеев соответственных образом организовал химические элементы в таблице. Данная таблица известна как , и современные таблицы следуют этому общему виду, показанному на рисунке ниже.

Периодическая таблица химических элементов

Дмитрий Менделеев, русский химик, был первым, кто разработал периодическую таблицу элементов. Несмотря на то, что Менделеев организовал свою таблицу в соответствии с атомной массой, а не атомным номером, и создал таблицу, которая была, не столь полезна, как современные периодические таблицы, его разработка выступает в качестве отличного примера научного доказательства. Увидев закономерности периодичности (аналогичные химические свойства в соответствии с атомной массой), Менделеев выдвинул гипотезу, что все элементы должны вписываться в эту упорядоченную схему. Когда он обнаружил «пустые» места в таблице, он следовал логике существующего порядка и предположил существование еще неизвестных элементов. Последующее открытие этех элементов подтвердило научную правильность гипотезы Менделеева, дальнейшие открытия привели к тому виду периодической таблицы, которую мы используем сейчас.

Вот так должна работать наука: гипотезы ведут к логическими заключениями и принимаются, изменяются или отклоняются в зависимости от согласованности экспериментальных данных с их выводами. Любой дурак может сформулировать гипотезу постфактум, чтобы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, и многие так и делают. Что отличается научную гипотезу от спекуляции постфактум, так это предсказание будущих экспериментальных данных, которые пока не собраны, и, возможно, опровержение в результате этих данных. Смело ведите гипотезу к ее логическому заключению(-ям) и попытка предсказать результаты будущих экспериментов это не догматический прыжок веры, а скорее публичная проверка этой гипотезы, открытый вызов противникам гипотезы. Другими словами, научные гипотезы всегда «рискованны» из-за попытки предсказать результаты еще не проведенных экспериментов, и поэтому могут быть опровергнуты, если эксперименты пройдут не так, как ожидалось. Таким образом, если гипотеза правильно предсказывает результаты повторных экспериментов, ее ложность опровергнута.

Квантовая механика, сначала как гипотезы, а затем в качестве теории, оказалась чрезвычайно успешной в прогнозировании результатов экспериментов, следовательно, получила высокую степень научного доверия. У многих ученых есть основания полагать, что это неполная теория, так как ее прогнозы больше правдивы на микрофизических масштабах, а не в макроскопических размерах, но, тем не менее, это чрезвычайно полезная теория для объяснения и прогнозирования взаимодействия частиц и атомов.

Как вы уже увидели в этой главе, квантовая физика имеет важное значение при описании и прогнозировании множества различных явлений. В следующем разделе мы увидим, ее значение в электрической проводимости твердых веществ, в том числе и полупроводников. Проще говоря, ничего в химии или в физике твердого тела не имеет смысла в популярной теоретической структуре электронов, существующих как отдельные частицы материи, кружащиеся вокруг ядра атом, как миниатюрные спутники. Когда электроны рассматриваются как «волновые функции», существующие в определенных, дискретных состояниях, которые регулярны и периодичны, тогда поведение вещества может быть объяснено.

Подведем итоги

Электроны в атомах существуют в «облаках» распределенной вероятности, а не как дискретные частицы материи, вращающиеся вокруг ядра, как миниатюрные спутники, как показывают распространенные примеры.

Отдельные электроны вокруг ядра атом стремятся к уникальным «состояниям», описываемым четырьмя квантовыми числами: главное (радиальное) квантовое число , известное как оболочка ; орбитальное (азимутальное) квантовое число , известное как подоболочка ; магнитное квантовое число , описывающее орбиталь (ориентацию подоболочки); и спиновое квантовое число , или просто спин . Эти состояния квантовые, то есть «между ними» нет условий для существования электрона, кроме состояний, которые вписываются в схему квантовой нумерации.

Гланое (радиальное) квантовое число (n) описывает базовый уровень или оболочку, на которой находится электрон. Чем больше это число, тем больше радиус электронного облака от ядра атома, и тем больше энергия электрона. Главные квантовые числа являются целыми числами (положительными целыми)

Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) описывает форму электронного облака в конкретной оболочке или уровне и часто известно, как «подоболочка». В любой оболочке столько подоболочек (форм электронного облака), каково главное квантовое число оболочки. Азимутальные квантовые числа - целые положительные числа, начинающиеся с нуля и заканчивающиеся числом, меньшим главного квантового числа на единицу (n - 1).

Магнитное квантовое число (m l) описывает, какую ориентацию имеет подоболочка (фигура электронного облака). Подоболочки могут допускать столько различных ориентаций, чему равен удвоенный номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (то есть, для l=1, m l = -1, 0, 1), и каждая уникальная ориентация называется орбиталью. Эти числа - целые числа, начинающиеся от отрицательного значения номера подоболочки (l) через 0 и заканчивающиеся положительным значением номера подоболочки.

Спиновое квантовое число (m s) описывает другое свойство электрона и может принимать значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули говорит, что два электрона в атоме не могут разделять один и тот же набор квантовых чисел. Следовательно, может быть не более двух электронов на каждой орбитали (спин=1/2 и спин=-1/2), 2l+1 орбиталей в каждой подоболочке, и n подоболочек в каждой оболочке, и не более.

Спектроскопическое обозначение - это соглашение для обозначения электронной структуры атома. Оболочки показываются как целые числа, за ними следуют буквы подоболочек (s, p, d, f) с числами в верхнем индексе, обозначающими общее количество электронов, находящихся в каждой соответствующей подоболочке.

Химическое поведение атома определяется исключительно электронами в незаполненных оболочках. Оболочки низкого уровня, которые полностью заполнены мало или совсем не влияют на химические характеристики связывания элементов.

Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью инертны, и называются благородными элементами (ранее были известны как инертные).

Квантовая физика - наиболее обсуждаемый и скандальный раздел науки. По сути, это одно из самых эффективных и точных открытий теоретической области знания. Законы квантовой физики, будучи примененными для расчета эксперимента, показывают ничтожные отклонения результатов - порядка миллионных долей процента. На каком же утверждении основана квантовая физика?

Физика микромира, изучающая поведение атомов и процессы, происходящие при их взаимодействии, предусматривает механическую модель. То есть, атом условно можно представить в категориях, понятных каждому человеку. Законы квантовой физики, напротив, представляют атом в виде элементарной частицы, имеющей свойства материальной точки и волны излучения одновременно.

Основная теория, на которой базируется квантовая физика, гласит:

Энергия в любом виде поглощается или выделяется только отдельными порциями. Они, в свою очередь, могут состоять только из целого числа условных объектов, названных квантами. Энергия одного кванта определяется как произведение частоты на некий коэффициент пропорциональности. Этот коэффициент, позже названный «постоянная Планка», был впервые введен Максом Планком и прозвучал в его докладе 14 декабря 1900 года. Именно этот день стал датой рождения теории квантов и положил начало процессу, который зародил законы квантовой физики. Начальное понимание принципов квантовой физики, а именно - основного правила двойственности свойств любого объекта (корпускулярно - волновой дуализм) привело к открытию фотонов. Пытаясь объяснить механику фотоэффекта различных материалов, Альберт Энштейн выдвинул теорию, что свет состоит из отдельных квантов. Формулы, описывающие энергию, импульс и массу фотонов - относятся к базовым законам, описывающим квантовую природу не только света, но и любого другого высокочастотного излучения.

Виды фундаментальных взаимодействий

Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных объектов в системы, т. е. системную организацию материи. Многие свойства материальных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

· гравитационное;

· электромагнитное;

· сильное;

· слабое.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальнымзаконом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними . гравитонами , существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электростатическим.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами .

Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом .

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.

11. Термодинамический уровень описания материи. Начала термодинамики. Энтропия. Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной.

Ответ: В основе термодинамического подхода – три начала и несколько постулатов, опирающихся на опытные факты (закон сохранения энергии, закон возрастания энтропии, закон о недостижимости абсолютного нуля, постулат о существовании термодинамического равновесия). В термодинамике не обсуждаются микроскопическая природа законов или начал, на этом уровне все сводится к том или иному описанию явления (именно поэтому этот подход называют феноменологическим), в этом слабость этого подхода (если не знать корней того или иного закона, нельзя априори сказать, когда он будет оставаться справедливым), но в этом и его сила (существуют эмпирические формулы и уравнения, которые до сих пор не могут получить теоретически, однако они с успехом используются на практике). Начала термодинамики:

Первое начало термодинамики - закон сохранения и превращения энергии при тепловых процессах: энергия, поступающая в систему, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение ею работы. Невозможность вечного двигателя первого рода.

Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней воторое начало термодинамики, Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что со временем все формы движения должны перейти в тепловую. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, то есть наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

Системный подход в современном естествознании. Основные понятия и идеи синергетики.

Ответ: Особенностью современного естествознания является осознанное внедрение идей системности во все его отрасли. Системность реализуется в рамках системного подхода, т.е. исследований, в основе которых лежит изучение объектов как сложных систем.Под системным подходом в широком смысле понимают метод исследования оружающего мира, при котором интересующие нас предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования. Эти части и элементы, взаимодействуя друг с другом, формируют новые свойства целостного образования (системы), отсутствующие у каждого из них в отдельности. Таким образом, мир с точки зрения системного подхода предстает перед нами как совокупность систем разного уровня, находящихся в отношениях иерархии. В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит именно системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целое. Для обозначения этой целостности в науке выработано понятие системы. Система занимает центральное место в системном подходе. Поэтому разные авторы, анализируя это понятие, дают определения системы с различной степенью формализации, подчеркивая разные ее стороны.Определим систему как совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих некую целостность.

Системам независимо от их природы присущ ряд свойств:

1. Целостность - принципиальная несводимость свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого, а также зависимость каждого элемента, свойства и отношения системы от его места внутри целого, функции и т.д. Например, ни одна деталь часов отдельно не может показать время, это способна сделать лишь система взаимодействующих элементов;

2. Структурность - возможность описания системы через установление ее структуры или, проще говоря, сети связей и отношений системы. Структурность также подразумевает обусловленность свойств и поведения системы не столько свойствами и поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры. Простейший пример: разные свойства алмаза и графита определяются различной структурой при одинаковом химическом составе;

3. Иерархичность систем, т.е. каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, а исследуемая в конкретном случае система представляет собой один из компонентов более широкой системы. Например, живая клетка многоклеточного организма является, с одной стороны, частью более общей системы - многоклеточного организма, а с другой - сама имеет сложное строение и, безусловно, должна быть признана сложной системой;

4. Множественность описания системы, т.е. в силу принципиальной сложности каждой системы ее познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы. Например, любое животное имеет части тела, которые могут рассматриваться как его элементы; это животное можно рассмотреть как совокупность скелета, нервной, кровеносной, мышечной и других систем; наконец, его можно проанализировать как совокупность химических элементов.

Термин "синергетика" введен Г. Хакеном для обозначения междисциплинарного направления, в котором, как он и предполагал, результаты его исследований по теории лазеров и неравновесным фазовым переходам смогли дать идейную основу для плодотворного взаимному сотрудничества исследователей из различных областей знания. Синергетика Г. Хакена в нестрогом смысле базируется на ранее выдвинутых теориях, например: Чарлз Скотт Шеррингтон (1857-1952), называвший синергетическим согласованное действие нервной системы при управлении мышечнымидвижениями; Станислав Улам (1909-1984), говоривший о синергии, в форме непрерывного сотрудничества междукомпьютероми оператором и др. Однако притом, что имеетсянеформальнаясвязь явлений, названных "синергетика", по существу содержания предшественники Г. Хакена говорили лишь о частных примерах.

Автором самого термина является Ричард Бакминстер Фуллер (1895-1983) - известный дизайнер, архитектор и изобретатель из США. В течение своей жизни Р.Б. Фуллер задавался вопросом относительно того, есть ли у человечества шанс на долгосрочное и успешное выживание на планетеЗемляи, если да, то каким образом. Считая себя заурядным индивидом без особых денежных средств или учёной степени, он решил посвятить своюжизньэтому вопросу, пытаясь выяснить, что личности вроде него могут сделать для улучшения положения человечества из того, что большие организации, правительства или частные предприятия не могут выполнить в силу своей природы. На протяжении этого эксперимента всей жизни он написал двадцать восемь книг, выработав такиетерминыкак "космический корабль “Земля”", "эфемеризация" и "синергетика".

Практически изначально (от Г. Хакена) синергетика нашла содержание для себя и привнесла новые идеи: в теорию лазеров и термодинамику неравновесных процессов, и теорию нелинейных колебаний и автоволновых процессов; в теорию бифуркации и теорию структурной устойчивости; в теорию катастроф. Претерпело развитиепонятия хаоса, вошел в обиход термин "детерминированный хаос", имеющий конкретный физико-математический смысл. Значительно расширилась область применения синергетики в связи сразвитиемтеориифракталов. 1 В русле синергетики нашлиинтерпретацию и свое решение задачи из областей физики, кинетической химии, биологии, геологии, материаловедения, экономики и др. Следует отметить распространение самим Г. Хакеном идей синергетики на биологические явления: переходы между паттернами (шаблоны, модели, принципы) в биологии и возможности исследования биологической эволюции как процесса самоорганизации в сложной системе. В контексте синергетики проводятся сегодня социальные и гуманитарные исследования.

С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда преподносят, как "глобальный эволюционизм" или "универсальную теорию эволюции", дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как "универсальная теория управления", одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т.д. и т.п. Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды.

Похожая информация.

Услышав слова «квантовая физика» люди обычно отмахиваются: «Это что-то страшно сложное». Между тем, это совершенно не так, и в слове «квантовый» нет ровным счётом ничего страшного. Непонятного – хватает, интересного – очень много, а страшного – нет.

Про книжные полки, лесенки и Ивана Ивановича

Все процессы, явления и величины в окружающем нас мире можно разделить на две группы: непрерывные (по-научному континуальные ) и прерывные (по-научному дискретные или квантованные ).

Представьте себе стол, на который можно положить книгу. Вы можете положить книгу в любое место на столе. Справа, слева, посередине... Куда хотите – туда и положите. В этом случае физики говорят, что положение книги на столе изменяется непрерывно .

А теперь представьте книжные полки. Вы можете поставить книгу на первую полку, на вторую, на третью или на четвёртую – однако не можете поставить книгу «где-то между третьей и четвёртой». В этом случае положение книги изменяется прерывно , дискретно , квантованно (все эти слова обозначают одно и то же).

Окружающий мир полон непрерывных и квантованных величин. Вот две девочки – Катя и Маша. Их рост 135 и 136 сантиметров. Какая это величина? Рост изменяется непрерывно, он может быть и 135 с половиной сантиметров, и 135 сантиметров с четвертью. А вот номер школы, в которой девочки учатся – это величина квантованная! Допустим, Катя учится в школе № 135, а Маша – в школе № 136. Однако никто из них не может учиться в школе № 135 с половиной, правда?

Другой пример квантованной системы – шахматная доска. На шахматной доске 64 клетки, и каждая фигура может занимать только одну клетку. Можем ли мы поставить пешку где-то между клетками или поставить на одну клетку сразу две пешки? Фактически – можем, но по правилам – нет.

Континуальный спуск

А вот горка на детской площадке. Дети скатываются с неё вниз – потому что высота горки изменяется плавно, непрерывно. Теперь представьте себе, что эта горка вдруг (взмах волшебной палочки!) превратилась в лестницу. Скатиться с неё на попе уже не выйдет. Придётся идти ногами – сперва один шаг, потом второй, потом третий. Величина (высота) у нас изменялась непрерывно – а стала изменяться шагами, то есть дискретно, квантованно .

Квантованный спуск

Давайте проверим!

1. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «отдохну где-нибудь по дороге».

2. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «поеду каким-нибудь автобусом».

Какая из этих двух ситуаций («систем») может считаться непрерывной, а какая – квантованной?

Ответ:

В первом случае Иван Иванович идёт пешком и может остановиться отдохнуть в абсолютно любой точке. Значит, данная система – непрерывная.

Во втором – Иван Иванович может сесть в подошедший на остановку автобус. Может пропустить и подождать следующего автобуса. Но вот сесть «где-то между» автобусами у него не получится. Значит, данная система – квантованная!

Во всём виновата астрономия

О существовании непрерывных (континуальных) и прерывных (квантованных, разрывных, дискретных) величин прекрасно знали ещё древние греки. В своей книге «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимед даже сделал первую попытку установить математическую связь между непрерывными и квантованными величинами. Тем не менее, никакой квантовой физики в те времена не существовало.

Её не существовало вплоть до самого начала 20 века! Такие великие физики, как Галилей, Декарт, Ньютон, Фарадей, Юнг или Максвелл слыхом не слыхивали ни про какую квантовую физику и прекрасно без неё обходились. Вы можете спросить: зачем же тогда учёные придумали квантовую физику? Что такое особенное в физике приключилось? Представьте себе, приключилось. Только совсем не в физике, а в астрономии!

Загадочный спутник

В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель наблюдал самую яркую звезду нашего ночного неба – Сириус. К тому времени астрономы уже знали, что звёзды в нашем небе не являются неподвижными – они движутся, только очень-очень медленно. При этом каждая звезда – это важно! – движется по прямой линии. Так вот, при наблюдениях Сириуса оказалось, что он движется совсем не по прямой. Звезду как бы «шатало» то в одну сторону, то в другую. Путь Сириуса в небе был похож на извилистую линию, которую математики называют «синусоида».

Звезда Сириус и её спутник - Сириус Б

Было понятно, что сама по себе звезда так двигаться не может. Чтобы превратить движение по прямой линии в движение по синусоиде, нужна некая «возмущающая сила». Поэтому Бессель предположил, что вокруг Сириуса вращается тяжёлый спутник – это было самое естественное и разумное объяснение.

Однако расчёты показывали, что масса этого спутника должна быть приблизительно как у нашего с вами Солнца. Тогда почему же мы не видим этот спутник с Земли? Сириус расположен от солнечной системы недалеко – каких-то два с половиной парсека, и объект размером с Солнце должен быть виден очень хорошо...

Трудная получалась задачка. Одни учёные говорили, что этот спутник представляет собой холодную, остывшую звезду – поэтому она абсолютно чёрная и невидима с нашей планеты. Другие говорили, что этот спутник не чёрный, а прозрачный, – потому мы его и не видим. Астрономы всего мира смотрели на Сириус в телескопы и пытались «поймать» загадочный невидимый спутник, а он как будто издевался над ними. Было от чего удивиться, сами понимаете...

Нам нужен чудо-телескоп!

В такой телескоп люди впервые увидели спутник Сириуса

В середине 19-го века в США жил и работал выдающийся конструктор телескопов Элвин Кларк. По первой профессии он был художником, но волей случая превратился в первоклассного инженера, стеклодела и астронома. До сих пор никто не сумел превзойти его потрясающие линзовые телескопы! Один из объективов работы Элвина Кларка (диаметром 76 сантиметров) можно увидеть в Санкт-Петербурге, в музее Пулковской обсерватории...

Однако мы отвлеклись. Итак, в 1867 году Элвин Кларк построил новый телескоп – с объективом диаметром 47 сантиметров; это был самый большой телескоп в США на тот момент. В качестве первого небесного объекта для наблюдений на испытаниях был выбран именно загадочный Сириус. И надежды астрономов блестяще оправдались – в первую же ночь неуловимый спутник Сириуса, предсказанный Бесселем, был обнаружен.

Из огня да в полымя...

Однако, получив данные наблюдений Кларка, астрономы радовались совсем недолго. Ведь, согласно расчётам, масса спутника должна быть приблизительно такая же, как у нашего Солнца (в 333 000 раз больше массы Земли). Но вместо огромного чёрного (или прозрачного) небесного светила астрономы увидели... крохотную белую звёздочку! Эта звёздочка была очень горячей (25 000 градусов, сравните с 5 500 градусами нашего Солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»). Получалось, что у этой звёздочки совершенно невообразимая плотность. Из какого же она тогда состоит вещества?!

На Земле мы знаем материалы с высокой плотностью – скажем, это свинец (кубик со стороной в сантиметр, сделанный из этого металла, весит 11.3 грамма) или золото (19.3 грамма на кубический сантиметр). Плотность вещества спутника Сириуса (его назвали «Сириус Б») составляет миллион (!!!) граммов на кубический сантиметр – оно в 52 тысячи раз тяжелее золота!

Возьмём, например, обычный спичечный коробок. Его объём – 28 кубических сантиметров. Значит, спичечный коробок, наполненный веществом спутника Сириуса, будет весить... 28 тонн! Попробуйте представить – на одной чашке весов спичечный коробок, а на второй – танк!

Была ещё одна проблема. В физике есть закон, который называется законом Шарля. Он утверждает, что в одном и том же объёме давление вещества тем выше, чем выше температура этого вещества. Вспомните, как срывает давлением горячего пара крышку с закипевшего чайника – и сразу поймёте, о чём речь. Так вот, температура вещества спутника Сириуса этот самый закон Шарля нарушала самым бессовестным образом! Давление было невообразимым, а температура – относительно низкой. В итоге получались «неправильные» физические законы и вообще «неправильная» физика. Как у Винни-Пуха – «неправильные пчёлы и неправильный мёд».

Совсем голова кругом...

Чтобы «спасти» физику, в начале 20 века учёным пришлось признать, что в мире существует сразу ДВЕ физики – одна «классическая», известная уже две тысячи лет. А вторая – необычная, квантовая . Учёные предположили, что на обычном, «макроскопическом» уровне нашего мира работают законы классической физики. А вот на самом маленьком, «микроскопическом» уровне вещество и энергия подчиняются совершенно другим законам – квантовым.

Представьте себе нашу планету Земля. Вокруг неё сейчас вращается больше 15 000 самых разных искусственных объектов, каждый по своей орбите. Причём эту орбиту при желании можно поменять (скорректировать) – скажем, периодически корректируется орбита у Международной космической станции (МКС). Это макроскопический уровень, здесь работают законы классической физики (например, законы Ньютона).

А теперь перенесёмся на микроскопический уровень. Представьте себе ядро атома. Вокруг него, подобно спутникам, вращаются электроны – однако их не может быть сколь угодно много (скажем, у атома гелия – не больше двух). И орбиты у электронов будут уже не произвольные, а квантованные, «ступенчатые». Такие орбиты физики ещё называют «разрешёнными энергетическими уровнями». Электрон не может «плавно» перейти с одного разрешённого уровня на другой, он может только мгновенно «перепрыгнуть» с уровня на уровень. Только что был «там», и мгновенно оказался «тут». Он не может оказаться где-то между «там» и «тут». Он меняет местоположение мгновенно.

Удивительно? Удивительно! Но это ещё не всё. Дело в том, что, по законам квантовой физики, два одинаковых электрона не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Никогда. Учёные называют это явление «запрет Паули» (почему этот «запрет» действует, они пока объяснить не могут). Больше всего этот «запрет» напоминает шахматную доску, которую мы приводили в качестве примера квантовой системы, – если на клетке доски стоит пешка, другую пешку на эту клетку уже не поставить. В точности то же самое происходит с электронами!

Решение задачи

Каким же образом – спросите вы – квантовая физика позволяет объяснять такие необычные явления, как нарушение закона Шарля внутри Сириуса Б? А вот каким.

Представьте себе городской парк, в котором есть танцевальная площадка. На улице гуляет много людей, они заходят на танцплощадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танцплощадку может зайти огромное количество народу, – чем больше людей гуляет в парке, тем больше людей танцует на танцплощадке, то есть чем выше давление, тем выше температура. Так работают законы классической физики – в том числе закон Шарля. Такое вещество учёные называют «идеальным газом».

Люди на танцплощадке – «идеальный газ»

Однако на микроскопическом уровне законы классической физики не работают. Там начинают действовать квантовые законы, и это коренным образом меняет ситуацию.

Представим себе, что на месте танцплощадки в парке открыли кафе. В чём разница? Да в том, что в кафе, в отличие от дискотеки, «сколько угодно» людей не войдёт. Как только будут заняты все места за столиками, охрана прекратит пропускать людей внутрь. И пока кто-то из гостей не освободит столик, охрана никого не впустит! В парке гуляет всё больше и больше народу – а в кафе сколько людей было, столько и осталось. Получается, давление увеличивается, а температура «стоит на месте».

Люди в кафе – «квантовый газ»

Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешенные энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно запрету Паули. В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом – высокая, но для звёзд вполне себе обыкновенная. Такое вещество в физике называется «вырожденным квантовым газом».

Продолжим?..

Аномально высокая плотность белых карликов – далеко не единственное явление в физике, требующее использования квантовых законов. Если эта тема вас заинтересовала, в следующих номерах «Лучика» мы можем поговорить и о других, не менее интересных, квантовых явлениях. Пишите! А пока давайте запомним главное:

1. В нашем с вами мире (Вселенной) на макроскопическом (т. е. «большом») уровне действуют законы классической физики. Они описывают свойства обычных жидкостей и газов, движения звёзд и планет и многое другое. Именно эту физику вы изучаете (или будете изучать) в школе.

2. Однако на микроскопическом (то есть невероятно маленьком, в миллионы раз меньше самых мелких бактерий) уровне действуют совершенно другие законы – законы квантовой физики. Законы эти описываются очень сложными математическими формулами, и в школе их не изучают. Однако только квантовая физика позволяет относительно внятно объяснить строение таких удивительных космических объектов, как белые карлики (вроде Сириуса Б), нейтронные звёзды, чёрные дыры и так далее.

Тут у меня днями разговор состоялся на тему delayed choice quantum erasure , даже не столько дискуссия, сколько терпеливое объяснение мне моим замечательным френдом dr_tambowsky основ квантовой физики. Поскольку я физику в школе плохо учила, а на старости лет потянуло, то впитываю, как губка. Объяснения решила собрать в одном месте, может кому еще .

Для начала рекомендую посмотреть мультфильм для детей про интерференцию и обратить внимание на «глаз». Потому что фактически в нем вся загвоздка.

Затем можно начинать читать текст от dr_tambowsky , который я привожу ниже целиком или, кто умный и подкованный, может сразу читать это . А лучше и то, и другое.

Что такое интерференция.
Тут действительно много всяких терминов и понятий и они сильно перепутаны. Давай по порядку. Во-первых — интерференция как таковая. Примерам интерференции несть числа и разных интерферометров очень много. Конкретный эксперимент, который постоянно склоняют и часто используют в этой науке про erasure (в основном, потому что он простой и удобный) — это две щели, прорезанные рядышком, параллельно друг другу в непрозрачном экране. Для начала посветим на такую двойную прорезь светом. Свет — это же ж волна, правда? И интерференцию света мы наблюдаем постоянно. Прими на веру, что если посветить на эти две прорези, а с другой стороны поставить экран (или просто стенку), то на этом втором экране мы тоже увидим интерференционную картину — вместо двух ярких пятен света «прошедшего через прорези» на втором экране (стенке) будет забор из чередующихся ярких и тёмных полос. Отметим ещё раз, что это чисто волновое свойство: если мы будем швырять камешки, то те из них, которые попадут в прорези будут и дальше лететь прямо и будут ударять в стенку каждый за своей прорезью, то есть, мы увидим две независимых кучи камней (если они к стенке прилипнут, конечно 🙂), никакой интерференции.

Далее, помнишь, в школе учили про «корпускулярно-волновой дуализм»? Что когда всё очень маленькое и очень квантовое, то объекты — одновременно и частицы и волны? В одном из знаменитых экспериментов (эксперимент Штерна-Герлаха) в 20е годы прошлого века использовали такую же установку как описано выше, но вместо света светили… электронами. Ну, то есть, электроны ведь частицы, правда? То есть если их «кидать» на двойную прорезь, как камушки, то на стенке за прорезями мы увидим что? Ответ — не два отдельных пятна, а опять интерефенционную картину!! То есть электроны тоже могут интерферировать.

С другой стороны, выясняется, что и свет не совсем волна, но немножко и частица — фотон. То есть мы теперь такие умные, что понимаем — два эксперимента, описанных выше — суть одно и тоже. Мы швыряем на прорези (квантовые) частицы, и частицы на этих прорезях интерферируют — на стенке видны чередующиеся полосы («видны» — в смысле чем мы там фотоны или электроны регистрируем, собственно глаза для этого необязательны 🙂).

Теперь, вооружённые этой универсальной картиной, зададим следующий, более тонкий вопрос (внимание, очень важно!!):
Когда мы светим на прорези нашими фотонами/электронами/частицами — мы видим с другой стороны интерференционную картину. Прекрасно. Но что происходит с отдельным фотоном/электроном/пи-мезоном? [и давай с этого момента говорить — исключительно для удобства — только о фотонах]. Возможен ведь такой вариант: каждый фотон летит, как камушек, через свою прорезь, то есть обладает вполне определённой траекторией. Вот этот фотон летит через левую прорезь. А вон тот — через правую. Когда эти фотоны-камушки, проследовав по своим определённым траекториям, достигают стенки позади прорезей, они как то там друг с другом взаимодействуют, и в результате этого взаимодействия, уже на самой стенке, возникает интерференционная картина. Пока что ничто в наших экспериментах такой интерпретации не противоречит — ведь когда мы светим на прорезь ярким светом мы посылаем сразу много фотонов. Пёс их знает, что они там делают.

На этот важный вопрос у нас имеется ответ. Мы умеем бросать по одному фотону. Бросили. Подождали. Бросили следующий. Пристально глядим на стенку и замечаем, куда эти фотоны прилетают. Один-единственный фотон, конечно, не может создать наблюдаемую интерференционную картину в принципе — он один, и когда мы его регистрируем, мы можем его увидеть только в каком-то определённом месте, а не везде сразу. Однако, вернёмся к аналогии с камушками. Вот пролетел один камушек. Стукнулся о стенку позади одной прорези (той, через которую он пролетел, естественно). Вот другой — опять стукнулся позади прорези. Сидим. Считаем. Через какое-то время и бросив достаточно камушков, мы наберём распределение — мы увидим, что много камушков стукнулось о стенку позади одной прорези и много позади другой. И больше нигде. Делаем то же самое с фотонами — бросаем их по одному и считаем потихоньку, сколько же фотонов прилетело в каждое место на стенке. Медленно сходим с ума, потому что получившееся распределение частот ударов фотонов — вовсе не два пятна под соответствующими прорезями. Распределение это в точности повторяет интерференционную картину, которую мы видели, когда светили ярким светом. Но фотоны-то теперь прилетали по одному! Один — сегодня. Следующий — завтра. Они не могли взаимодействовать друг с другом на стенке. То есть, в полном соответствии с квантовой механикой, один, отдельный фотон одновременно является волной и ничто волновое ему не чуждо. У фотона в нашем эксперименте нет определённой траектории — каждый отдельный фотон проходит через обе щели сразу и как бы интерферирует сам с собой. Можем повторить эксперимент, оставив открытой только одну щель — тогда фотоны будут конечно кучковаться за ней. Закроем первую, откроем вторую, по-прежнему бросаем фотоны по одному. Кучкуются, ясное дело под второй, открытой, щелью. Открываем обе — получившееся распределение мест, в которых фотоны любят кучковаться, не является суммой распределений, полученных, когда только одна щель была открыта. Они теперь ещё между щелями кучкуются. А точнее, их излюбленные места кучкования теперь — это чередующиеся полосы. В этой — кучкуются, в следующей — нет, опять — да, тёмная, светлая. Ах, интерференция…

Что такое суперпозиция и спин.
Итак. Будем считать, что про интерференцию как таковую мы всё понимаем. Займёмся суперпозицией. Не знаю, как у тебя с квантовой механикой, извини. Если плохо, то придётся многое принимать на веру, в двух словах объяснить сложно.

Но в принципе, мы уже были где-то рядом — когда видели, что отдельный фотон пролетает как бы сразу через две щели. Можно сказать просто: у фотона нет траектории, волна и волна. А можно сказать, что фотон одновременно летит по двум траекториям (строго говоря, даже не по двум, конечно, а по всем сразу). Это — равносильное утверждение. В принципе, если следовать по этому пути до конца, то мы придём к «интегралу по траекториям» — Фейнмановской формулировке квантовой механики. Формулировка эта невероятно изящна и настолько же сложна, на практике ею пользоваться трудно, тем более использовать её для объяснения основ. Поэтому до конца не пойдём, а лучше помедитируем над фотоном, летящим «по двум траекториям сразу». В смысле классических понятий (а траектория — вполне себе хорошо определённое классическое понятие, либо камень летит в лоб, либо мимо), фотон находится в разных состояниях одновременно. Ещё раз, траектория — это даже не совсем то, что нам нужно, наши цели проще, я просто призываю осознать и прочувствиовать факт.

Квантовая механика говорит нам, что такая ситуация — правило, а не исключение. Любая квантовая частица может находиться (и как правило находится) в «нескольких состояниях» сразу. На самом деле, не нужно слишком серьёзно воспринимать это утверждение. Эти «несколько состояний» — это на самом деле наша классическая интуиция. Мы определяем разные «состояния» исходя из каких-то своих (внешних и классических) соображений. А квантовая частица живёт по своим законам. У неё есть состояние. Точка. Всё что утверждение о «суперпозиции» означает — это то, что это состояние может сильно отличаться от наших классических представлений. Мы вводим классическое понятие траектории и применяем его к фотону в том состоянии, в котором ему нравится быть. А фотон говорит — «извините, моё любимое состояние таково, что в отношении этих ваших траекторий я нахожусь на обеих сразу!». Это не значит, что фотон совсем не может быть в состоянии, в котором траектория (более или менее) определена. Закроем одну из прорезей — и можно, до какой то степени, говорить о том, что фотон летит через вторую по определённой траектории, которую мы хорошо понимаем. То есть, такое состояние в принципе существует. Откроем обе — фотон предпочитает быть в суперпозиции.

То же самое относится к другим параметрам. Например, собственному угловому моменту, или спину. Помнишь, про два электрона, которые могут сидеть вместе на одной s-орбитали — если у них при этом противоположные спины? Вот это как раз оно. И у фотона тоже есть спин. Спин фотона хорош тем, что в классике он на самом деле соответствует поляризации световой волны. То есть используя всякие поляризаторы и прочие кристаллы, которые у нас есть, можно манипулировать спином (поляризацией) отдельных фотонов буде они у нас появятся (а они появятся).

Так вот, спин. Спин-то у электона есть (в надежде, что орбитали и электроны тебе роднее, чем фотоны, так-то всё то же самое), но электрону абсолютно безразлично в каком «спиновом состоянии» находиться. Спин — это вектор и мы можем пытаться говорить «спин смотрит вверх». Или «спин смотрит вниз» (относительно какого-нибудь нами же выбранного направления). А электрон нам говорит: «плевал я на вас, я могу находиться на обеих траекториях в обоих спиновых состояниях сразу». Здесь опять-таки очень важно, что не много электронов находятся в разных спиновых состояниях, в ансамбле, один смотрит вверх, другой вниз, а каждый отдельный электрон находится в обоих состояниях сразу. Точно так же как не разные электроны проходят через разные прорези, а один электрон (или фотон) проходит через обе прорези сразу. Электрон может находиться в состоянии с определённым направлением спина, если его очень попросить, но сам он этого делать не станет. Полу-качественно ситуацию можно описать так: 1) есть два состояния, |+1> (спин вверх) и |-1> (спин вниз); 2) в принципе, это — кошерные состояния, в которых электрон может существовать; 3) однако если не прилагать специальных усилий, электрон «размажется» по обоим состояниям и его состояние будет что-то вроде |+1> + |-1>, состояние, в котором электрон не обладает определённым направлением спина (совсем как траектория 1+траектория 2, правда?). Это и есть «суперпозиция состояний».

Про коллапс волновой функции.
Нам осталось совсем немного — понять что такое измерение и «коллапс волновой функции». Волновая функция — это то что мы выше написали, |+1> + |-1>. Просто описание состояния. Можно для простоты говорить о самом состоянии, как таковом, и о его «коллапсе», неважно. Происходит вот что: летит себе электрон в таком вот неопределённом состоянии духа, то ли он вверх, то ли вниз, то ли и то и другое сразу. Тут подбегаем мы с каким-нибудь устрашающего вида прибором и давай измерять направление спина. В данном конкретном случае достаточно сунуть электрон в магнитное поле: те электроны, у которых спин смотрит вдоль направления поля должны отклоняться в одну сторону, те у которых против поля — в другую. Мы сидим с другой стороны и потираем ручонки — видим в какую сторону электрон отклонился и сразу знаем, вверх у него смотрит спин или вниз. Фотоны можно совать в поляризационный фильтр — если поляризация (спин) +1 — фотон проходит, если -1, то нет.

Но позвольте — ведь у электрона не было определённого направления спина до измерения? Вот в этом вся фишка. Определённого — не было, но он был как бы «смешан» из двух состояний сразу, и в каждом из этих состояний направление очень даже было. В процессе измерения мы заставляем электрон принять решение, кем ему быть и куда смотреть — вверх или вниз. В вышеописанной ситуации мы, конечно, в принципе не можем предсказать заранее какое решение примет данный конкретный электрон, когда он влетит в магнитное поле. С вероятностью 50% он может решить «вверх», с такой же вероятностью — «вниз». Но уж как только он это решит — он находится в состоянии с определённым направлением спина. В результате нашего «измерения»! Это и есть «коллапс» — до измерения волновая функция (пардон, состояние) была |+1> + |-1>. После того как мы «измерили» и увидели, что электрон отклонился в определённую сторону — его направление спина определено и его волновая функция стала просто |+1> (или |-1>, если отклонился в другую). То есть состояние «сколлапсировало» на одну из своих составляющих; «подмешивания» второй составляющей больше нет и в помине!

В значительной степени этому было посвящено пустое философствование в исходной записи, и этим мне не нравится конец мультика. Там просто нарисован глаз и у неискушённого зрителя может возникнуть во-первых иллюзия некоей антропоцентричности процесса (мол, нужен наблюдатель, чтобы провести «измерение»), во-вторых его неинвазивности (ну, мы же просто смотрим!). Мои представления на эту тему были изложены выше. Во-первых, «наблюдатель» как таковой не нужен, конечно. Достаточно привести квантовую систему в контакт с большой, классической системой и всё произойдёт само собой (электроны будут влетать в магнитное поле и решать кем им быть независимо от того сидим мы с другой стороны и наблюдаем или нет). Во-вторых, неинвазивное классическое измерение квантовой частицы невозможно в принципе. Нарисовать глаз легко, а что значит «посмотреть на фотон и узнать куда он полетел»? Чтобы посмотреть нужно чтобы в глаз попали фотоны, желательно — много. Как можно так устроить, чтобы много фотонов прилетели и рассказали нам всё о состоянии одного несчастного фотона, состоянием которого мы интересуемся? Посветить на него фонариком? И что от него после этого останется? Ясно, что мы очень сильно повлияем на его состояние, возможно до такой степени, что ему и в одну из прорезей уже лезть не захочется. Это всё не так интересно. Но до интересного мы уже, наконец, добрались.

Про парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и когерентные (entangled) пары фотонов
Мы теперь знаем про суперпозицию состояний, но до сих пор мы говорили только об одной частице. Исключительно для простоты. Но всё же, что если частицы у нас две? Можно приготовить пару частиц во вполне себе квантовом состоянии, так что их общее состояние описывается одной, общей волновой функцией. Это, конечно, не просто — два произвольных фотона в соседних комнатах или электрона в соседних пробирках друг про друга и знать не знают, поэтому их можно и нужно описывать совершенно независимо. Поэтому как раз можно считать энергию связи, скажем, одного электрона на одном протоне в атоме водорода, совершенно не интересуясь другими электронами на марсе или даже на соседних атомах. Но если специально постараться, то квантовое состояние охватываюшее две частицы сразу можно создать. Это будет называться «когерентное состояние», применительно к парам частиц и всяким квантовым erasures и компютерам это ещё называют entangled state.

Двигаемся дальше. Мы можем знать (в силу ограничений, накладываемых процессом приготовления этого когерентного состояния), что, скажем, полный спин нашей системы из двух частиц равен нулю. Ничего страшного, мы же знаем, что спины двух электронов на s-орбитали обязаны быть антипараллельны, то есть полный спин — ноль, и это нас совершенно не пугает, правда? Чего мы не знаем — это куда смотрит спин конкретной частицы. Мы только знаем, что куда бы он не смотрел, спин второй должен смотреть в другую сторону. То есть, если мы обозначим наши две частицы (А) и (Б), то состояние может быть, в принципе, такое: |+1(А), -1(Б)> (А смотрит вверх, Б вниз). Это — разрешённое состояние, налагаемых ограничений оно не нарушает. Другая возможность — |-1(А), +1(Б)> (наоборот, А вниз, Б вверх). Тоже возможное состояние. Ещё не напоминает состояния, которые мы чуть раньше записывали для спина одного единственного электрона? Потому что наша система из двух частиц, пока она квантовая и когерентная, точно также может (и будет) находиться в суперпозиции состояний |+1(А); -1(Б)> + |-1(А); +1(Б)>. То есть, обе возможности реализованы одновременно. Как обе траектории фотона или оба направления спина одного электрона.

Измерять такую систему гораздо увлекательнее, чем отдельный фотон. Действительно, предположим, что мы измеряем спин только одной частицы, А. Мы уже поняли, что измерение — для квантовой частицы тяжёлый стресс, её состояние в процессе измерения сильно поменяется, произойдёт коллапс… Всё так, но — в данном-то случае есть ещё вторая частица, Б, которая намертво с А связана, у них волновая функция общая! Предположим, что мы измерили направление спина А и увидели, что оно +1. Но у А нет своей собственной волновой функции (или другими словами, своего собственного, независимого состояния), чтобы она сколлапсировала к |+1>. Всё что у А есть — это состояние «переплетённое» (entangled) с Б, выписанное выше. Если измерение А даёт +1 и мы знаем, что спины А и Б антипараллельны, мы знаем что спин Б смотрит вниз (-1). Волновая функция пары коллапсирует к чему может, а может она только к |+1(А); -1(Б)>. Других возможностей выписанная волновая функция нам не предоставляет.

Пока ничего? Подумаешь, полный спин сохраняется? Теперь представим себе, что мы создали такую пару А, Б и дали этим двум частицам разлетаться в разные стороны, оставаясь когерентными. Одна (А) долетела до Меркурия. А другая (Б), скажем, до Юпитера. В этот самый момент мы случились на Меркурии и измерили направление спина А. Что произошло? В этот же самый момент мы узнали направление спина Б и изменили волновую функцию Б! Обрати внимание, что это совсем не то же что в классике. Пускай два разлетающихся камня вращаются вокруг своей оси и пускай мы точно знаем, что они вращаются в противоположные стороны. Если мы измерим направление вращения одного, когда он достигнет Меркурия, мы тоже узнаем направление вращения второго, где бы он к тому моменту не оказался, хоть на Юпитере. Но эти камни всегда вращались в определённую сторону, до всяких наших измерений. И если кто-то измерит камень летящий к Юпитеру, то он(а) получит тот же самый и вполне определённый ответ, независимо от того, измерили мы что-то на Меркурии или нет. С нашими фотонами ситуация совершенно иная. Ни один из них не имел вообще никакого определённого направления спина до измерения. Если бы кто-то без нашего участия решил измерить направление спина Б где-нибудь в районе Марса, то он получил бы что? Правильно, с вероятностью 50% он увидел бы +1, с вероятностью 50% -1. Такое у Б состояние, суперпозиция. Если же этот кто-то решит измерить спин Б немедленно после того как мы уже измерили спин А, увидели +1 и вызвали коллапс *всей* волновой функции,
то он получит в результате измерения только -1, с вероятностью 100%! Только в момент нашего измерения А, наконец, решил кем ему быть и «выбрал» направление спина — и этот выбор мгновенно повлиял на *всю* волновую функцию и на состояние Б, который в этот момент уже находится чёрт знает где.

Вот эта-то неприятность и называется «нелокальность квантовой механики». Также известна как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR paradox) и, в общем, то что происходит в erasure с этим связано. Может быть я чего то недопонимаю, конечно, но на мой вкус erasure инетерсен тем, что это как раз эскпериментальная демострация нелокальности.

Упрощенно, эсксперимент с erasure может выглядеть так: создаём когерентные (entangled) пары фотонов. По одной: пара, потом следующая, и т.д. В каждой паре один фотон (А) летит в одну сторону, другой (Б) в другую. Всё как мы уже обсуждали чуть выше. На пути фотона Б ставим двойную прорезь и смотрим, что там за этой прорезью на стенке вырисовывается. Вырисовывается интерференционная картина, потому что каждый фотон Б, как мы знаем, летит по обеим траекториям, через обе прорези сразу (мы ещё помним про интерференцию, с которой мы начали эту историю, правда?). То, что Б ещё когерентно связан с А и имеет общую с А волновую функцию ему довольно фиолетово. Усложняем эксперимент: одну прорезь прикрываем фильтром, который пропускает только фотоны со спином +1. Вторую прикрываем фильтром, который пропускает только фотоны со спином (поляризацией) -1. Продолжаем наслаждаться интерференционной картиной, потому что в общем состоянии пары А,Б (|+1(А); -1(Б)> + |-1(А);+1(Б)>, как мы помним), присутствуют состояния Б и с тем и с другим спином. То есть «часть» Б может пройти через один фильтр/прорезь, часть — через другой. Так же как раньше одна «часть» летела по одной траектории, другая по другой (это, конечно, фигура речи, но факт остаётся фактом).

Наконец, кульминация: где-нибудь на меркурии, или чуть поближе, на другом конце оптического стола, мы ставим поляризационный фильтр на пути фотонов А, а за фильтром детектор. Пускай, для определённости, этот новый фильтр пропускает только фотоны со спином +1. Каждый раз когда срабатывает детектор, мы знаем что пролетел фотон А со спином +1 (спин -1 не пройдёт). Но это означает, что волновая функция всей пары сколлапсировала и у «брата» нашего фотона, у фотона Б, в этот момент осталось только одно возможное состояние -1. Всё. Фотону Б «нечем» теперь пролезать через, прорезь покрытую фильтром, пропускающим только поляризацию +1. У него просто не осталось такой составляюшей. «Узнать» этот фотон Б очень просто. Мы ведь создаём пары по одной. Когда мы регистрируем фотон А, прошедший через фильтр, мы записываем время, в которое он пришёл. Пол-второго, например. Значит, его «брат» Б прилетит на стенку тоже в пол-второго. Ну или в 1:36, если ему лететь чуть дальше и, следовательно, дольше. Там мы тоже записываем времена, то есть можем сопоставить кто есть кто и кто кому родственник.

Так вот, если мы теперь посмотрим какая картинка вырисовывается на стенке, мы не обнаружим никакой интерференции. Фотон Б из каждой пары проходит либо через одну прорезь, либо через другую. На стенке — два пятна. Теперь, убираем фильтр с пути фотонов А. Интерференционная картина восстанавливается.

…и наконец про delayed choice
Совсем паскудной ситуация становится, когда фотону А лететь до своего фильтра/детектора дольше, чем фотону Б до прорезей. Мы производим измерение (и заставляем А решить, а волновую функцию сколлапсировать) после того как Б должен был бы уже долететь до стенки и создать интерференционную картину. Однако, пока мы измеряем А, даже «позже, чем следует», интерференционная картина для фотонов Б всё равно пропадает. Убираем фильтр для А — восстанавливается. Это уже — delayed erasure. Не могу сказать, что я хорошо понимаю с чем это едят.

Поправки и уточнения.
Всё было правильно, с поправкой на неизбежные упрощения, до тех пор, пока мы не построили прибор с двумя entangled фотонами. Сначала интерференция у фотона Б есть. С фильтрами, похоже, не получится. Закрывать нужно пластинками, которые меняют поляризацию с линейной на круговую. Это уже сложнее обяснить 😦 Но главное не это. Главное, что когда мы так закрываем прорези разными фильтрами, то интерференция пропадает. Не в тот момент, когда мы измеряем фотон А, а сразу. Хитрая фишка состоит в том, что поставив фильтры пластинки мы «пометили» фотоны Б. Другими словами, фотоны Б несут на себе дополнительную информацию, позволяющую узнать по какой именно траектории они пролетели. *Если* мы измерим фотон А, то мы сможем узнать по какой именно траектории пролетел Б, значит и интерференции у Б не будет. Тонкость состоит в том, что физически «измерять» А не обязательно! Тут я в прошлый раз грубо ошибся. Не нужно измерять А, чтобы интерференция пропала. Если *можно* измерить и узнать по какой из траекторий пролетел фотон Б, то уже в этом случае интерференции не будет.

На самом деле, это ещё можно пережить. Там, по ссылке ниже народ как-то несколько беспомощно руками разводит, но по-моему (может быть я опять неправ? 😉) объяснение такое: сунув в прорези фильтры мы уже сильно изменили систему. Неважно, зарегистрировали мы реально поляризацию или траекторию по которой фотон прошёл или махнули в последний момент рукой. Важно что мы всё «приготовили» для измерения, уже повлияли на состояния. Поэтому, собственно «измерять» (в смысле сознательного человекоподобного наблюдателя, принесшего градусник и записавшего результат в журнал) ничего не нужно. Всё в некотором смысле (в смысле воздействия на систему) уже «измерено». Утверждение обычно формулируется так: «*если* мы измерим поляризацию фотона А, то мы будем знать поляризацию фотона Б, а следовательно и его траекторию, ну а раз фотон Б летит по определённой траектории, то интерференции не будет; мы можем даже не проводить измерение фотона А — достаточно того, что это измерение возможно, фотон Б знает о том, что его можно измерить и отказывается интерферировать». Есть в этом некоторая мистификация. Ну да, отказывается. Просто потому что систему так приготовили. Если в системе есть дополнительная информация (есть способ) определить по какой из двух траекторий пролетел фотон, то и интерференции не будет.

Если я тебе скажу, что я всё устроил так, чтобы фотон летел только через одну прорезь, ты ведь сразу поймешь что интерференции не будет? Можешь бежать проверять («измерять») и убеждаться, что я правду говорю, а можешь и так поверить. Если я не соврал, то интерференции не будет безотносительно того бросишься ты меня проверять или нет 🙂 Соответственно, фраза «можно измерить» на деле означает «система приготовлена таким специальным образом что…». Приготовлена и приготовлена, то есть в этом месте ещё коллапса никакого нет. Есть «помеченные» фотоны и отсутствие интерференции.

Вот дальше — почему, собственно, erasure это всё называется — нам говорят: а давайте-ка подействуем на систему так, чтобы «стереть» эти метки с фотонов Б — тогда они снова начнут интерферировать. Интересный момент, к которому мы уже подходили, хотя и в ошибочной модели, состоит в том, что фотоны Б можно не трогать, и пластинки в прорезях оставить. Можно подёргать за фотон А и так же как при коллапсе, изменение его состояния вызовет (нелокально) изменение полной волновой функции системы так, что информации, достаточной для определения через какую щель прошёл фотон Б, у нас больше не будет. То есть, вставляем на пути фотона А поляризатор — интерференция фотонов Б восстанавливается. С delayed всё то же самое — делаем так, что фотону А лететь до поляризатора дольше, чем Б до прорезей. И всё равно если на пути у А есть поляризатор, то Б интерферирует (хотя как бы «до того» как А долетел до поляризатора)!