10 необычных явлений, мысленных экспериментов и парадоксов квантовой механики

1 июля в России впервые удалось произвести измерение кубита (квантого бита), способного, в отличие от обычных битов, для которых характерно два состояния-либо «один», либо «ноль», — принимать бесконечное множество состояний. В результате была экспериментально подтверждена возможность кубита находиться в суперпозиции двух состояний одновременно, что с точки зрения квантовой механики близко к парадоксу. Предлагаем вам подборку ещё десяти необычных явлений из области квантовой механики.

1. Кот Шрёдингера

В 1935-м году физик Эрвин Шрёдингер провёл мысленный эксперимент, получивший впоследствии название «Кот Шрёдингера» — выдвинутая им теория послужила предметом широкой дискуссии в научных кругах и сейчас применяется в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии.

Шрёдингер задался целью доказать, что, при наблюдении за макроскопическими системами, возникающей в таких случаях неопределённости можно избежать, осуществляя прямое наблюдение за объектом. Краткое изложение его умозаключений такова: некоего кота нужно поместить в герметичную коробку с находящейся внутри адской машиной, которая при определённых условиях испускает синильный газ, ядовитый для живых организмов. В той же коробке находится очень малое количество радиоактивного вещества, и один атом может либо распасться в течение следующего часа, либо с той же долей вероятности не распасться.

Если в это время не производить никаких прямых наблюдений, то есть не открывать коробку с котом, то можно предположить, что кот всё это время может как оставаться живым, так и погибнуть. Соответственно, пока эксперимент не подтверждён, кот остаётся одновременно и живым, и мёртвым — до тех пор, пока мы не откроем коробку и не увидим результат.

Суть в том, что в природе такого не бывает, и это касается как живых организмов, так и атомов — ядро может быть или распавшимся, или не распавшимся, а промежуточное состояние невозможно. Однако до осуществления прямого наблюдения атом и кот находятся в состоянии, называемом суперпозицией, — иначе говоря, в двух состояниях одновременно.

2. Парадокс Клейна

Представьте задачу: релятивистскую частицу необходимо переместить через потенциальный барьер, при этом потенциальная энергия частицы меньше высоты барьера — другими словами, энергии для преодоления барьера стандартным путём частице не хватит. С точки зрения классической механики такое явление невозможно, однако, согласно квантовой механике частица всё же может преодолеть барьер.

Точнее, не совсем так: дело в том, что при задействовании определённой энергии при сильном поле произойдёт рождение второй, парной частицы, или античастицы, которая возникнет как раз по другую сторону барьера.

3. Квантовый парадокс Зенона

Если постоянно осуществлять наблюдение за нестабильной квантовой частицей, то она никогда не сможет распасться, иными словами, наблюдая за частицей, мы так или иначе вносим изменения в её состояние, например, сообщаем ей энергию или дополнительный импульс: чем стабильнее состояние частицы, тем с большей вероятностью она распадётся.

Впервые эффект описал Алан Тьюринг ещё в 1957-м году, однако на практике это явление удалось пронаблюдать только в 1989-м — эксперимент провёл Дэвид Вайнленд: как только на атомы воздействовали с помощью ультрафиолетового излучения, их переход в двухуровневое (возбуждённое) состояние подавлялся.

4. Корпускулярно-волновой дуализм

Принцип этой концепции состоит в том, что объект может проявлять одновременно как волновые свойства, так и корпускулярные: например, свет представляет собой волны определённой длины, во многих случаях проявляющие электромагнитные свойства, но точно так же свет можно представить и в виде элементарных частиц — фотонов, то есть свет проявляет и корпускулярные свойства.

С точки зрения обычной физики это не логично, однако в квантовой физике такая ситуация допустима и, более того, в случае со светом корпускулярные и волновые свойства взаимно дополняют друг друга.

Сейчас корпускулярно-волновой дуализм по большей части является предметом теоретического интереса, поскольку квантовые объекты нельзя назвать ни частицами, ни волнами в классическом понимании.

5. Квантовая запутанность

Принцип квантовой запутанности состоит в том, что при взаимодействии только на одну частицу из определённой группы частиц изменяется состояние не только того объекта, на который воздействуют напрямую, но и всех остальных объектов этой группы. Следовательно, объекты взаимосвязаны, и их связь остаётся постоянной даже тогда, когда они находятся на значительном расстоянии друг от друга или в совершенно разных условиях.

Для примера возьмём пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии: если изменить спиральность спина первого фотона с положительного на отрицательную, то спиральность второго фотона всегда будет отрицательной. Если же снова изменить спиральность первого фотона на отрицательную, то второй фотон приобретёт положительную спиральность.

6. Квантовая телепортация

Телепортация в квантовой механике значительно отличается от телепортации, описанной в фантастических произведениях — при квантовой телепортации невозможно передать на определённое расстояние энергию или вещество. В этом случае передаётся состояние квантовой частицы при наличии другой, запутанной частицы: в точке передачи это состояние разрушается, а в точке приёма — воссоздаётся.

Обратите внимание, что разрушаются не частицы, а только их состояние в момент отправки/приёма — это не передача в прямом смысле, а скорее копирование. Передача осуществляется не по квантовому каналу, а по обычному, и не может быть быстрее скорости света.

7. Сверхтекучесть

Если температуру вещества в состоянии квантовой жидкости охладить до состояния, близкого к абсолютному нулю, то вещество приобретёт способность протекать через узкие каналы вроде, например, капилляров, без трения.

Научное обоснование явления таково: атомы вещества в состоянии квантовой жидкости (например, такую форму часто принимает гелий-3) — бозоны, и с точки зрения квантовой механики любое число её частиц может находиться в одинаковом состоянии. Чем ближе температура к абсолютному нулю, тем большее число атомов находится в одном энергетическом состоянии, и при сверхнизкой температуре энергия столкновений может быть очень мала, так что рассеяния энергии в зазорах между атомами не произойдёт — поскольку энергия не рассеивается, то и трения не будет.

До недавнего времени считалось, что подобное состояние характерно только для жидкого гелия, однако не так давно оказалось, что оно присуще и твёрдому гелию, а также другим веществам, основу которых составляют бозоны, температура которых близка к абсолютному нулю.

8. Сверхпроводимость

Сверхпроводимость — квантовый эффект, при котором электрическое сопротивление частиц равно нулю при достижении критической температуры (близкой к абсолютному нулю), иными словами, электрический ток проходит через подобные материалы, практически не встречая сопротивления.

Явление получило широкое практическое применение: в частности, существуют так называемые сверхпроводники — как правило, керамики, также к ним можно отнести жидкий азот, температура которого — 77°К.

9. Теорема о запрете клонирования

Согласно квантовой теории, создание точной копии любого неизвестного квантового состояния невозможно. Клонирование в классическом понимании представляет собой точную копию, но в квантовой механике под клонированием подразумевается создание состояния, состоящего из нескольких исходных состояний двух и более групп частиц.

Как известно, группы частиц могут быть сцеплены между собой, и энергия между ними может быть взаимосвязана. Тем не менее, передать энергетическое состояние с абсолютной точностью от одной группе к другой невозможно, поскольку это противоречит принципам квантовой запутанности, однако создание не полностью идентичной копии всё же возможно.

10. Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

Этот парадокс говорит о том, что законы квантовой механики в настоящее время являются неполными и со временем должны быть дополнены.

Представим, что две частицы одновременно образовались после распада исходной частицы: согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс получившихся частиц должен быть равен импульсу исходной частицы. Следовательно, мы можем измерить импульс одной из образовавшихся частиц и по простой формуле рассчитать импульс второй частицы, образовавшейся одновременно с ней. Далее у нас появляется возможность измерить импульс второй частицы, который мы уже рассчитали, и таким образом получить для неё значения двух величин, измерить которые одновременно невозможно, согласно законам квантовой механики.