Fizyka kwantowa jest zwykle po prostu onieśmielająca od samego początku. Jest trochę dziwna i może wydawać się sprzeczna z intuicją, nawet dla fizyków, którzy zajmują się nią na co dzień. Ale nie jest ona niezrozumiała. Jeśli czytasz coś na temat fizyki kwantowej, jest naprawdę sześć kluczowych pojęć, o których powinieneś pamiętać. Zrób to, a fizyka kwantowa będzie o wiele łatwiejsza do zrozumienia.
Wszystko jest zbudowane z fal; także z cząstek
Światło jako cząstka i fala. (Image credit: Fabrizio Carbone/EPFL)
Jest wiele miejsc, w których można rozpocząć tego rodzaju dyskusję, a to jest tak dobre jak każde inne: wszystko we wszechświecie ma naturę zarówno cząstki jak i fali, w tym samym czasie. Jest taka kwestia w duologii fantasy Grega Beara (The Infinity Concerto i The Serpent Mage), gdzie postać opisująca podstawy magii mówi: „Wszystko jest falami, przy czym nic nie faluje, na żadną odległość”. Zawsze bardzo mi się to podobało jako poetycki opis fizyki kwantowej – w głębi duszy wszystko we wszechświecie ma naturę falową.
Oczywiście, wszystko we wszechświecie ma również naturę cząsteczkową. Wydaje się to całkowicie szalone, ale jest to fakt doświadczalny, wypracowany przez zaskakująco znajomy proces:
(jest też animowana wersja tego, którą zrobiłem dla TED-Ed).
Oczywiście, opisywanie rzeczywistych obiektów jako cząstek i fal jest z konieczności nieco nieprecyzyjne. Właściwie mówiąc, obiekty opisane przez fizykę kwantową nie są ani cząstkami, ani falami, ale trzecią kategorią, która dzieli niektóre właściwości fal (charakterystyczna częstotliwość i długość fali, pewne rozproszenie w przestrzeni) i niektóre właściwości cząstek (są one ogólnie policzalne i mogą być zlokalizowane do pewnego stopnia). Prowadzi to do ożywionej debaty w środowisku nauczycieli fizyki na temat tego, czy naprawdę właściwe jest mówienie o świetle jako o cząstce na wstępnych kursach fizyki; nie dlatego, że istnieje jakakolwiek kontrowersja co do tego, czy światło ma jakąś cząsteczkową naturę, ale dlatego, że nazywanie fotonów „cząstkami”, a nie „wzbudzeniami pola kwantowego” może prowadzić do pewnych błędnych przekonań wśród studentów. Nie zgadzam się z tym, ponieważ wiele z tych samych obaw można by podnieść w odniesieniu do nazywania elektronów „cząstkami”, ale to czyni wiarygodnym źródłem rozmów na blogu.
Ta „drzwi numer trzy” natura obiektów kwantowych jest odzwierciedlona w czasami mylącym języku, którego fizycy używają do mówienia o zjawiskach kwantowych. Bozon Higgsa został odkryty w Wielkim Zderzaczu Hadronów jako cząstka, ale można również usłyszeć fizyków mówiących o „polu Higgsa” jako o zdelokalizowanej rzeczy wypełniającej całą przestrzeń. Dzieje się tak dlatego, że w pewnych okolicznościach, takich jak eksperymenty zderzeniowe, wygodniej jest dyskutować o wzbudzeniach pola Higgsa w sposób, który podkreśla ich cząsteczkowe właściwości, podczas gdy w innych okolicznościach, takich jak ogólna dyskusja o tym, dlaczego pewne cząstki mają masę, wygodniej jest dyskutować o fizyce w kategoriach oddziaływań z wypełniającym wszechświat polem kwantowym. To po prostu inny język opisujący ten sam obiekt matematyczny.
Fizyka kwantowa jest dyskretna
Te oscylacje stworzyły obraz „zamrożonego” światła. (Credit: Princeton)
To jest tam w nazwie – słowo „kwantowy” pochodzi od łacińskiego „ile” i odzwierciedla fakt, że modele kwantowe zawsze obejmują coś przychodzącego w dyskretnych ilościach. Energia zawarta w polu kwantowym jest całkowitą wielokrotnością pewnej energii fundamentalnej. W przypadku światła, jest to związane z częstotliwością i długością fali światła – światło o wysokiej częstotliwości i krótkiej długości fali ma dużą energię charakterystyczną, a światło o niskiej częstotliwości i długiej długości fali ma małą energię charakterystyczną.
W obu przypadkach jednak, całkowita energia zawarta w danym polu światła jest całkowitą wielokrotnością tej energii – 1, 2, 14, 137 razy – nigdy dziwnym ułamkiem jak jeden i pół, π, lub pierwiastek kwadratowy z dwóch. Ta własność jest również widoczna w dyskretnych poziomach energetycznych atomów i pasmach energetycznych ciał stałych – pewne wartości energii są dozwolone, inne nie. Zegary atomowe działają z powodu dyskretności fizyki kwantowej, wykorzystując częstotliwość światła związaną z przejściem między dwoma dozwolonymi stanami w cezie, aby utrzymać czas na poziomie wymagającym szeroko dyskutowanej „sekundy przestępnej” dodanej w zeszłym tygodniu.
Ultra-precyzyjna spektroskopia może być również używana do poszukiwania rzeczy takich jak ciemna materia i jest częścią motywacji dla niskoenergetycznego instytutu fizyki fundamentalnej.
To nie zawsze jest oczywiste – nawet niektóre rzeczy, które są fundamentalnie kwantowe, jak promieniowanie ciała czarnego, wydają się obejmować rozkłady ciągłe. Ale zawsze istnieje pewien rodzaj ziarnistości w rzeczywistości bazowej, jeśli zagłębić się w matematykę, i to jest duża część tego, co prowadzi do dziwactwa teorii.
Fizyka kwantowa jest probabilistyczna
(Credit: Graham Barclay/Bloomberg News)
Jednym z najbardziej zaskakujących i (historycznie, przynajmniej) kontrowersyjnych aspektów fizyki kwantowej jest to, że nie da się przewidzieć z pewnością wyniku pojedynczego eksperymentu na systemie kwantowym. Kiedy fizycy przewidują wynik jakiegoś eksperymentu, przewidywanie zawsze przybiera formę prawdopodobieństwa znalezienia każdego z poszczególnych możliwych wyników, a porównania między teorią a eksperymentem zawsze wiążą się z wnioskowaniem o rozkładach prawdopodobieństwa z wielu powtórzonych eksperymentów.
Matematyczny opis systemu kwantowego zwykle przybiera formę „funkcji falowej”, zwykle reprezentowanej w równaniach przez grecką literę psi: Ψ. Istnieje wiele debat na temat tego, co dokładnie reprezentuje ta funkcja falowa, dzieląc się na dwa główne obozy: tych, którzy uważają funkcję falową za rzeczywistą rzecz fizyczną (żargonowy termin dla tych teorii to teorie „ontyczne”, co doprowadziło pewną dowcipną osobę do nazwania ich zwolenników „psi-ontologami”) i tych, którzy uważają funkcję falową jedynie za wyraz naszej wiedzy (lub jej braku) dotyczącej stanu leżącego u podstaw danego obiektu kwantowego (teorie „epistemiczne”).
W obu klasach modelu fundamentalnego, prawdopodobieństwo znalezienia wyniku nie jest dane bezpośrednio przez funkcję falową, ale przez kwadrat funkcji falowej (luźno mówiąc, w każdym razie; funkcja falowa jest złożonym obiektem matematycznym (co oznacza, że obejmuje liczby urojone, takie jak pierwiastek kwadratowy z ujemnej jedynki), a operacja, aby uzyskać prawdopodobieństwo jest nieco bardziej zaangażowana, ale „kwadrat funkcji falowej” wystarczy, aby uzyskać podstawową ideę). Jest to znane jako „Reguła Borna” po niemieckim fizyku Maxie Born, który pierwszy to zasugerował (w przypisie do pracy w 1926 roku), i uderza niektórych ludzi jako brzydki dodatek ad hoc. Istnieje aktywny wysiłek w niektórych częściach społeczności kwantowych fundacji, aby znaleźć sposób na wyprowadzenie reguły Borna z bardziej fundamentalnej zasady; do tej pory żaden z nich nie odniósł pełnego sukcesu, ale generuje to wiele interesującej nauki.
Jest to również aspekt teorii, który prowadzi do rzeczy takich jak cząstki będące w wielu stanach w tym samym czasie. Wszystko, co możemy przewidzieć, to prawdopodobieństwo, a przed pomiarem, który określa konkretny wynik, mierzony system jest w nieokreślonym stanie, który matematycznie odwzorowuje superpozycję wszystkich możliwości z różnymi prawdopodobieństwami. Czy uważasz to za system naprawdę będący we wszystkich stanach na raz, czy po prostu będący w jednym nieznanym stanie zależy w dużej mierze od twoich odczuć na temat modeli ontycznych i epistemicznych, chociaż oba podlegają ograniczeniom z następnej pozycji na liście:
Fizyka kwantowa jest nielokalna
Kwantowy eksperyment teleportacji w akcji. (Credit: IQOQI/Vienna)
Ostatni wielki wkład Einsteina do fizyki nie został powszechnie uznany za taki, głównie dlatego, że się mylił. W pracy z 1935 roku, napisanej wspólnie ze swoimi młodszymi kolegami Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem („praca EPR”), Einstein przedstawił jasne matematyczne uzasadnienie czegoś, co niepokoiło go od pewnego czasu – idei, którą obecnie nazywamy „splątaniem”.”
Praca EPR dowodziła, że fizyka kwantowa pozwala na istnienie systemów, w których pomiary dokonywane w odległych od siebie miejscach mogą być skorelowane w sposób sugerujący, że wynik jednego z nich jest zdeterminowany przez drugi. Argumentowano, że oznacza to, iż wyniki pomiarów muszą być określone z góry, przez jakiś wspólny czynnik, ponieważ alternatywa wymagałaby przesłania wyniku jednego pomiaru do miejsca drugiego z prędkością większą niż prędkość światła. Zatem mechanika kwantowa musi być niekompletna, stanowić jedynie przybliżenie jakiejś głębszej teorii (teorii „lokalnej zmiennej ukrytej”, takiej, w której wyniki danego pomiaru nie zależą od niczego, co znajduje się dalej od miejsca pomiaru, niż sygnał mógłby przebyć z prędkością światła („lokalnej”), ale są zdeterminowane przez jakiś czynnik wspólny dla obu systemów w splątanej parze („zmienna ukryta”)).
To było uważane za dziwny przypis przez około trzydzieści lat, ponieważ wydawało się, że nie ma sposobu, aby to sprawdzić, ale w połowie lat 60-tych irlandzki fizyk John Bell opracował konsekwencje papieru EPR bardziej szczegółowo. Bell pokazał, że można znaleźć okoliczności, w których mechanika kwantowa przewiduje korelacje pomiędzy odległymi pomiarami, które są silniejsze niż jakakolwiek możliwa teoria typu preferowanego przez E, P i R. Zostało to przetestowane eksperymentalnie w połowie lat 70-tych przez Johna Clausera, a seria eksperymentów Alaina Aspecta na początku lat 80-tych jest powszechnie uważana za definitywnie pokazującą, że te splątane systemy nie mogą być wyjaśnione przez żadną lokalną teorię ukrytej zmiennej.
Najbardziej powszechnym podejściem do zrozumienia tego wyniku jest stwierdzenie, że mechanika kwantowa jest nielokalna: że wyniki pomiarów dokonanych w danym miejscu mogą zależeć od właściwości odległych obiektów w sposób, który nie może być wyjaśniony przy użyciu sygnałów poruszających się z prędkością światła. Nie pozwala to jednak na przesyłanie informacji z prędkościami przekraczającymi prędkość światła, choć podejmowano wiele prób znalezienia sposobu na wykorzystanie nielokalności kwantowej do tego celu. Obalanie ich okazało się zaskakująco produktywnym przedsięwzięciem – więcej szczegółów można znaleźć w książce Davida Kaisera How the Hippies Saved Physics. Kwantowa nielokalność jest również kluczowa dla problemu informacji w wyparowujących czarnych dziurach i kontrowersji wokół „firewalla”, która wywołała ostatnio wiele dyskusji. Istnieją nawet pewne radykalne pomysły dotyczące matematycznego związku pomiędzy splątanymi cząstkami opisanymi w pracy EPR a tunelami czasoprzestrzennymi.
Fizyka kwantowa jest (w większości) bardzo mała
Obrazy atomu wodoru widziane przez teleskop kwantowy. (Credit: Stodolna et al. Phys. Rev…. Lett.)
Fizyka kwantowa ma reputację dziwnej, ponieważ jej przewidywania są dramatycznie niepodobne do naszego codziennego doświadczenia (przynajmniej dla ludzi – zamysłem mojej książki jest to, że nie wydaje się ona tak dziwna dla psów). Dzieje się tak, ponieważ zaangażowane efekty stają się mniejsze, gdy obiekty stają się większe – jeśli chcesz zobaczyć jednoznacznie kwantowe zachowanie, zasadniczo chcesz zobaczyć cząstki zachowujące się jak fale, a długość fali zmniejsza się wraz ze wzrostem pędu. Długość fali makroskopowego obiektu, takiego jak pies spacerujący po pokoju, jest tak śmiesznie mała, że gdyby rozszerzyć wszystko tak, aby pojedynczy atom w pokoju był wielkości całego Układu Słonecznego, długość fali psa byłaby o wielkości pojedynczego atomu w tym układzie słonecznym.
To oznacza, że w przeważającej części zjawiska kwantowe są ograniczone do skali atomów i podstawowych cząstek, gdzie masy i prędkości są wystarczająco małe, aby długości fal były wystarczająco duże, aby obserwować je bezpośrednio. Jednak w wielu dziedzinach podejmowane są aktywne wysiłki, aby zwiększyć rozmiary układów wykazujących efekty kwantowe do większych rozmiarów. Pisałem na blogu o eksperymentach grupy Markusa Arndta pokazujących falowe zachowanie w coraz większych cząsteczkach, a także o grupach zajmujących się „opto-mechaniką wnęki”, które próbują wykorzystać światło do spowolnienia ruchu kawałków krzemu do punktu, w którym dyskretna kwantowa natura ruchu stanie się jasna. Istnieją nawet pewne sugestie, że może być możliwe zrobienie tego z zawieszonymi lustrami o masie kilku gramów, co byłoby niesamowicie fajne.
Fizyka kwantowa to nie magia
Komiks z „Surviving the World” Dantego Shepherda. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html )… Wykorzystano za zgodą.
Poprzedni punkt prowadzi bardzo naturalnie do tego: jakkolwiek dziwne może się to wydawać, fizyka kwantowa zdecydowanie nie jest magią. Rzeczy, które przewiduje są dziwne według standardów codziennej fizyki, ale są one rygorystycznie ograniczone przez dobrze rozumiane matematyczne reguły i zasady.
Więc, jeśli ktoś podchodzi do ciebie z „kwantowym” pomysłem, który wydaje się zbyt dobry, aby był prawdziwy – wolna energia, mistyczne moce uzdrawiania, niemożliwe napędy kosmiczne – prawie na pewno jest. To nie znaczy, że nie możemy używać fizyki kwantowej do robienia niesamowitych rzeczy – możesz znaleźć naprawdę fajną fizykę w zwykłej technologii – ale te rzeczy pozostają w granicach praw termodynamiki i po prostu podstawowego zdrowego rozsądku.
Więc masz to: podstawowe zasady fizyki kwantowej. Prawdopodobnie pominąłem kilka rzeczy, lub złożyłem kilka stwierdzeń, które są niewystarczająco precyzyjne, aby zadowolić wszystkich, ale to powinno przynajmniej służyć jako użyteczny punkt wyjścia do dalszej dyskusji.