О квантовой физике языком чайников. Как разобраться в этой сложной теме, если ты гуманитарий

Дисклеймер: квантовая физика как таковая очень сложна, а количество математических формул для ее описания потребует отдельного учебника. Эта статья объясняет явления этого раздела физики простыми словами. Для более глубокого погружения в тему рекомендуем почитать книги о квантовой физике, например «Теория всего» и «Кратчайшая история времени» известного ученого и популяризатора науки Стивена Хокинга.

Квант

Научное определение: квант — это минимальная неделимая порция какой-то величины, например энергии, которой может обмениваться система.

Простыми словами: многие помнят из школьного курса физики, что электрон — мельчайшая элементарная частица, поток которых создает, например, электрический ток. Однако школьный курс физики зачастую сильно упрощал картину мира. И электрон-то не мельчайший — он состоит из кварков, и энергия не измеряется только количеством электронов.

Суть кванта в том, что энергию (и не только), как и частицы, тоже можно делить на порции, но до определенной точки. Эта самая точка — когда энергия больше не делится — и есть квант энергии.

Аналогия: представьте стакан. Его можно наполнить водой на любой объем, при этом вода воспринимается не как определенное количество молекул, а как поток, который можно разделить на самые мельчайшие капли и брызги.

А теперь представьте стакан, который мы наполняем кубиками лего. Мы можем вместить туда много кубиков, но не можем просто так положить туда полкубика или четверть кубика. А еще эти кубики и этот стакан настолько маленькие, что могут спрятаться в мельчайшей капле воды из первого стакана. Примерно на таком уровне действуют квантовые частицы.

Корпускулярно-волновой дуализм

Научное определение: элементарные частицы проявляют как свойства волн (интерференция, дифракция), так и свойства частиц (локализованное столкновение).

Простыми словами: многие воспринимают мир черно-белым. Есть добро и зло, свет и его отсутствие, те, кому жарко, и те, кому дует, и т. п. Однако, если мы опустимся на уровень элементарных частиц, обнаружим, что они не в курсе, что им необходимо выбирать. 

Квантовый мир устроен не по принципу «или-или», там, скорее, справедлив принцип «и то и другое» — по крайней мере, в первом приближении. В реальности частицы все равно живут в своем состоянии, которое мы еще не можем описывать и фиксировать, но в определенные моменты могут принимать свойства частицы или волны.  

Это значит, например, что электроны и фотоны умеют быть и «твердыми шариками», и «растекающимися волнами» — в зависимости от ситуации. Например, солнечный свет одновременно ведет себя как поток частиц-фотонов, которые бомбардируют Землю, и как волна, «распадающаяся» на радужный спектр при преломлении в каплях воды.  

Аналогия: откройте жалюзи узкой щелью. Свет идет от Солнца вроде как «поток частичек», но на стене вы видите не просто прямоугольник, где этот поток достигает цели, а полосы и мягкие края.

Это дифракция и интерференция, чисто волновая история: первое описывает, как волна огибает препятствия, а второе — как несколько волн, на которые разбили первоначальный поток препятствия, накладываются друг на друга и создают искажение и рассеивание. 

Но если поставить очень чувствительный световой датчик, улавливающий фотоны, сигнал с него будет приходить отдельными «щелчками». Волна рисует узор — частицы заполняют его дискретными попаданиями.

Или возьмем людей. Да-да, мы тоже не черно-белые и не обязаны соответствовать только одному состоянию и позиции, которую приписывает нам шаблонное мышление. Например, врачи, строго придерживающиеся в работе принципов доказательной медицины, в жизни могут иметь вредные привычки и даже баловаться гомеопатией. А замужние женщины не замыкаются после свадьбы на семье и детях и могут одновременно быть хозяюшками на кухне и строить карьеру (или выбрать что-то вообще свое). Выбирайте сами, кем вам сегодня быть и на какой волне.  

Суперпозиция

Научное определение: суперпозиция — это свойство квантовой системы, когда она одновременно пребывает в нескольких возможных состояниях до момента измерения.

Простыми словами: частица может быть как бы сразу «и там и тут», пока мы не посмотрим. Конкретное положение «проявляется» только в тот момент, когда у него возникает наблюдатель, который его фиксирует.  

Принцип суперпозиции наглядно объясняется в мысленном эксперименте австрийского физика Эрвина Шредингера, известном многим под названием «кот Шредингера». Напомним суть.  

Экспериментатор предложил поместить в закрытый ящик кота, радиоактивный атом в процессе полураспада и счетчик Гейгера, который при полном распаде атома зафиксирует превышение радиоактивного фона и разобьет молоточком колбу с ядом. При этом известно время примерного полураспада атома, но неизвестно время полного распада.

Наблюдатель не будет знать, жив кот или погиб от яда, пока не откроет коробку и не удостоверится в его судьбе. То есть кот как бы находится одновременно в коробке и в суперпозиции — ни жив, ни мертв.

На практике, конечно, никто бедного кота не мучил. Этот абсурдный мысленный эксперимент был на самом деле критикой «копенгагенской» квантовой теории Нильса Бора и Вернера Гейзенберга, которые утверждали, что, пока квантовый объект не под наблюдением, он одновременно находится во взаимоисключающих друг друга состояниях, а мир без наблюдателя как бы не существует.  

Однако сам-то кот будет определенно в курсе, жив он или мертв, и существовать в этих двух состояниях одновременно не сможет физически. Или все-таки сможет?

Аналогии: билет лотереи, который вы еще не проверили. Пока не взглянули на результат, он может быть и выигрышный, и проигрышный одновременно. Только вскрыв его, вы сталкиваетесь с одним конкретным исходом. Поэтому, покупая билет, вы покупаете не бумагу и не гарантированный приз, вы покупаете шанс, который невозможно оценить.

Волновая функция

Научное определение: волновая функция — математическое описание вероятностного распределения возможных состояний квантовой системы.

Простыми словами: это карта или график, которая показывает, не «где частица находится точно», а «где ее можно ожидать с большей или меньшей вероятностью». На атомных масштабах мы предсказываем, не «где объект точно», а «с какой вероятностью его поймаем здесь». Это свойство природы.

Если в классической алгебре и механике графики строились по предопределенным принципам (вспомните, как в школе рисовали параболы и гиперболы в зависимости от подставляемых в формулы переменных), то в квантовой механике все сложнее — частица в разных состояниях и в разный момент времени может менять свое значение и положение.

Волновая функция пытается описывать как наиболее приближенное к реальности передвижение частицы, так и вероятности, что она может оказаться в другом месте.

Аналогия: как прогноз погоды. На карте закрашены зоны: «80% вероятность дождя», «50% вероятность дождя». Это не значит, что дождь уже идет или точно пойдет там, где значение больше, или что он выпадет на 80% территории. Это значит, что у природы есть варианты, и некоторые из них более вероятны. 

Туча может пролиться прямо над вами или в ста метрах впереди, а может, и вовсе образует просвет или обойдет по широкой дуге. Но синоптики все равно будут на всякий случай говорить, что дождь в этом районе был.  

Квантовое измерение

Научное определение: квантовое измерение — процесс, при котором взаимодействие с системой разрушает ее суперпозицию и фиксирует одно конкретное значение наблюдаемой величины.

Простыми словами: когда мы «смотрим» на частицу, она не может сохранить свою двойственную природу и оказывается либо в одном, либо в другом состоянии. Правда, это состояние будет справедливо только на момент измерения.  

Ранние физики-теоретики считали, что в каждый момент времени, когда фиксируется состояние, происходит коллапс другого потенциального состояния. То есть предмет может быть одновременно частицей и волной только до измерения, а в момент измерения — только чем-то одним. Это называется редукцией — отсечением лишней сущности. На этой теории, кстати, построена популярная в фантастике теория параллельных миров, которые бесконечно делятся на ответвления с каждым нашим принятым решением.  

Аналогия: как экзамен. До проверки студент может быть и готов, и не готов одновременно — все зависит от множества факторов. Сыграть может что угодно: выученный или невыученный билет, совпадение или несовпадение в настроениях с экзаменатором, банальный недосып. Но проверка превращает неопределенность в факт: сдал или провалил. Хотя на реальный объем знаний в голове сам экзамен не влияет.

Или можно представить, что частицы играют с нами в игру «Морская фигура, замри!». Ведущий отворачивается и говорит: «Раз, два, три, морская фигура — замри!», а пока он не смотрит, участники принимают различные позы или пытаются подойти к нему. Ведущий не знает, где участники находятся и в какой позе, пока не посмотрит, однако стоит ему повернуть голову, как игроки замирают, позволяя увидеть себя в определенной точке.  

Декогеренция

Научное определение: процесс нарушения согласованности квантовой системы вследствие воздействия на нее наблюдателя или сторонних сил.  

Простыми словами: суть в том, что во время взаимодействия измерительной системы и измеряемого объекта неизбежно происходит влияние, которое нарушает чистоту квантового мира. В итоге неопределенная частица приобретает определенное значение, которое уже может описать классическая физика, и «магия» исчезает.  

Происходит не выбор и не сложение векторов, а запутывание двух систем. При этом состояние измеряемой системы преобразуется, она переходит из «чистого состояния» в «смешанное».   

Декогеренция — главный враг квантовых компьютеров. Их кубиты должны оставаться в суперпозиции как можно дольше, но любое взаимодействие с «внешним шумом» нарушает квантовое состояние. Уменьшение декогеренции — задача ученых и конструкторов будущего.

Аналогии: представьте, что вы играете на пианино в закрытой шумоизолированной комнате. Но вас никто не слышит, и вы решаете открыть окно, чтобы мир узнал, какую прекрасную музыку вы создаете.

Вот только с открытым окном в комнату врывается уличный шум, а музыка, которая вырывается наружу, тонет в какофонии звуков города. Да и вы сами уже не уверены, так ли чисто вы играете, ведь на ваш слух повлияли звуковые помехи.  

Или, предположим, вы решили исследовать под микроскопом строение клеток лука. Но вы никогда не увидите, как ведет себя эта клетка в живом и не разрезанном луке — вам придется вырезать из него кусочек, расплющить между стеклами и лишь надеяться, что увиденная через линзы микроскопа картина такая же, как в сердцевине еще не вытащенной из земли луковицы.

Так ваш измерительный прибор заставляет вас изменять исследуемое и мешает вам измерить систему в ее первозданном виде.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Научное определение: невозможно одновременно точно измерить взаимосвязанные характеристики квантовой системы, например координату и импульс частицы. И дело не в несовершенности приборов измерений, а в свойствах природы частиц.

Простыми словами: чем точнее вы знаете, где частица находится, тем хуже знаете, как быстро и в каком направлении она движется, и наоборот.  

На этом принципе построен один популярный научный анекдот. Полицейский останавливает машину и обнаруживает за рулем известного физика Гейзенберга. Коп спрашивает его: «Вы знаете, с какой скоростью вы ехали?» «Нет, но зато я точно знаю, где я нахожусь», — отвечает Гейзенберг. Полицейский говорит: «Вы ехали со скоростью 55 миль/час там, где можно только 35». Гейзенберг вскидывает руки и кричит: «Отлично! Теперь я заблудился!»  

Аналогия: представьте танцора. Если вы сделаете резкий стоп-кадр, вы идеально зафиксируете его позу, но потеряете ощущение ритма и движения. Если же смотреть видео, вы видите динамику и можете оценить пластику и красоту танца, но не можете замерить позу «с точностью до миллиметра».

Туннельный эффект

Научное определение: явление, при котором частица преодолевает потенциальный барьер, который она не могла бы преодолеть в рамках классической физики.

Простыми словами: помните про двойственную природу квантовых частиц? Иногда она позволяет им творить настоящие чудеса.

Летящая по определенной траектории частица не имеет сил перепрыгнуть через препятствие, разрушить его или пробить в нем брешь. Но так как мы с трудом можем определить, где в какой момент находится частица, создается вероятность, что она неожиданно окажется ЗА препятствием.

Естественно, чем крупнее частицы, тем меньше вероятен такой исход на практике. Однако со светом, например, такое случается: когда луч по всем законам классической физики должен был отразиться от поверхности, но вместо этого проходит сквозь нее и формирует узенький световой туннель, идущий дальше.

Аналогия: мячик, ударившийся о стену, не отскакивает назад, а внезапно оказывается по ту сторону, словно стена на миг стала проницаемой. В общем, как в советском фильме «Чародеи»: главное — верить в себя и не замечать препятствий. Возможно, на самом деле волшебники из НИИЧАВО просто кое-что понимали в квантовой физике.

Квантовая запутанность

Научное определение: явление квантовой механики, при котором квантовое состояние двух или более частиц оказывается взаимозависимым, общим и неразделимым, так что измерение одной мгновенно определяет состояние другой, даже на большом расстоянии.

Простыми словами: частицы могут быть «связаны» так, что судьба одной тут же отражается на другой, даже если они далеко друг от друга и просто физически не могут друг на друга повлиять. Измерение параметра одного объекта мгновенно отражается на фактическом состоянии другого, хотя информация между ними не передается.

Аналогия: представьте, что вы взяли пару перчаток, вслепую положили их в одинаковые коробки, перепутали их несколько раз и отослали одну в Японию, а другую в Австралию. Когда адресат в Японии откроет свою коробку, он обнаружит, что ему попала, например, левая перчатка. В то же мгновение он будет знать, что в Австралию отправилась правая, даже если адресат еще не успел ее получить и проверить это.

Кубиты и кудиты

Научное определение: кубит (квантовый бит) — минимальная единица информации в квантовом компьютере. В отличие от классического бита, который может быть только в состоянии 0 или 1, кубит может находиться в суперпозиции этих состояний — быть и 0, и 1 одновременно до измерения.

Простыми словами: кубит можно сравнить с летящей в воздухе монетой, которая одновременно показывает орел и решку, пока не упала на землю.

А кудит — это квантовый «бит-хамелеон», суперпозиция кубита. Он умеет держать сразу несколько состояний (2, 3, 4 и больше), что позволяет им вмещать и обрабатывать гораздо больше информации. Это делает вычисления на квантовом компьютере параллельными и мощными.  

Аналогии: Если представить компьютер как пианино, в классическом вы играете пьесу как начинающий, одним пальцем, нажимая одновременно только одну клавишу: белую или черную. Кубит позволяет зажать черную и белую клавишу вместе и сделать звук богаче и интереснее. Кудит в квантовом компьютере — это аккорд из нескольких нот, взятых одновременно. И это мы еще не подключили педали.

Квантовая физика — это удивительный мир неопределенности, которая позволяет буквально расширить границы сознания. Сначала она ломает вам мозг, а потом позволяет взглянуть на вещи под другим углом и понять, что необходимость выбора, время, пространство, ограничения, слова «ничто», «никто» и «никогда» — это иллюзия, а потенциальные возможности человека во Вселенной безграничны. Надо только понять, как это использовать.