XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Квантовая механика – это  раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц [1].

По мнению ученого атомы напоминают крошечные модели Солнечной системы, так как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам. Но электроны, в отличие от планет, двигаются по одной определенной орбите и ни по какой другой. Бор утверждал, что когда атом нагревается, электроны приходят в движение и перескакивают с одной орбиты на другую. При этом, каждый скачок сопровождается выбросом энергии в форме света с определенной длиной волны. Вот откуда взялись те странные вертикальные линии и понятие «квантовый скачок» [2].

Рис 1.- При нагреве атомов электроны начинают перескакивать с одной орбиты на другую.

Квантовая запутанность – это теоретическое предположение вытекающее из уравнений квантовой механики, согласно которому две частицы могут запутаться, если находятся довольно близко друг к другу. Их свойства при этом становятся взаимосвязанными [2].

Как можно получить запутанные состояния? Самое простое — заставить две частицы провзаимодействовать. Возьмем и столкнем две заряженных частицы, скажем два электрона. После столкновения они куда-то полетят. Если мы знаем, что их суммарный импульс равен нулю, то мы не знаем, куда полетела одна частица, а куда полетела вторая, но мы точно знаем, что они полетели в противоположные стороны, — это немного утрированно, но в принципе правильно. Когда они улетят достаточно далеко друг от друга, что взаимодействовать между собой уже не будут, мы точно будем знать, что если одна частица поймана в одном месте, то вторую надо искать в противоположном направлении относительно места столкновения. Это тоже пример перепутанного состояния, но не со спиновыми переменными, а с обычными координатами.

С практической же точки зрения в современной физике важен особый класс систем — бифотоны. Это фотоны, рождающиеся парами и знающие о состоянии друг друга: у них известна сумма частот, заданы конфигурации взаимных поляризаций. В общем, это единое целое — два перепутанных фотона, летящие в разные стороны. Такие пары рождаются, например, в нелинейных кристаллах при распаде одного фотона на два. Поэтому, говоря про ЭПР-парадокс, сейчас в первую очередь имеют в виду бифотоны [3]

Если разделить эти частицы и отправить в разные концы света, как предлагает квантовая механика, они все равно могут остаться запутанными и неразрывно связанными. Эйнштейну такая связь между частицами казалась невозможной, он так ее и назвал – «сверхъестественная связь на расстоянии». Ученый допускал, что запутанные частицы могут существовать, но считал, что никакой «сверхъестественной связи на расстоянии» нет. Напротив, все предопределено задолго до момента измерения[2].

Рис.2- Пример с перчатками

Допустим, кто-то взял пару перчаток, разделил их и положил каждую в отдельный чемодан. Затем один чемодан отправили вам, а второй в Антарктиду. До того момента, пока чемоданы закрыты, вы не знаете, какая из перчаток там лежит. Но открыв чемодан и обнаружив в нем левую перчатку, мы со 100% уверенностью узнаем, что в чемодане в Антарктиде лежит правая перчатка, даже если в него никто не заглядывал [2].

Нильс Бор, в свою очередь, полагался на уравнения, доказывающие, что частицы ведут себя как два колеса, которые могут мгновенно связать случайные результаты своего вращения, даже находясь на огромном расстоянии друг от друга. Так кто же прав? Определить, действительно ли между запутанными частицами существует «сверхъестественная связь» как между вращающимися колесами, или же никакой связи нет и свойства частиц предопределены заранее, как в случае с парой перчаток, удалось физику Джону Белл. С помощью сложных математических вычислений Белл показал, что если сверхъестественной связи нет, то квантовая механика неверна. Однако физик-теоретик также доказал, что вопрос можно решить, построив машину, которая создавала и сравнивала бы много пар запутанных частиц. Основываясь на инструкциях Белла физик, специалист по квантовой механике Джон Клаузер собрал машину, способную проделывать эту работу. Машина Клаузера могла измерять тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по очень многим параметрам. Полученные результаты заставили ученого думать, что он допустил ошибку. Вскоре французский физик Ален Аспе подобрался к самой сути спора Эйнштейна и Бора [2].

Рис.3-Ален Аспе – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности.

В опыте Аспе измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от первой частицы ко второй прошел бы со скоростью, превышающей скорость света. Что, как мы знаем, невозможно. Таким образом оставалось только одной объяснение – сверхъестественная связь. Более того, проведенные эксперименты доказали, что математическая основа квантовой механики верна [2].

Значит запустанность квантовых состояний - это реальность.

Таким образом, квантовые частицы могут быть связаны несмотря на очень большие расстояния, а измерение одной частицы действительно может повлиять на её далекую пару.

Список литературы

Квантовая механика [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://zaochnik.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/ (дата обращения: 20.12.2022)

Квантовая механика [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://hi-news.ru/eto-interesno/tajny-kvantovoj-mexaniki-chto-takoe-kvantovaya-zaputannost.html (дата обращения: 20.12.2022)

Квантовая запутанность [Электронныq ресурс]. - Режим доступа:https://postnauka.ru/longreads/156064 (дата обращения:20.12.2022)