Квантовая физика: коты запутали Эйнштейна
В прошлый раз речь шла о Шрёдингеровском коте как гипотетическом примере того, как вполне привычный нам в обыденной жизни, макроскопический объект (кот) мог бы проявлять квантовые свойства.
Самая соль этих свойств состоит в так называемом квантовом перепутывании или запутанности (англ. "entanglement"). Название этого явления, в общем, отражает его суть. Действительно, в рассмотренном примере перепутанными (иначе говоря, жёстко связанными друг с другом) оказываются состояния радиоактивного ядра и кота. Важным аспектом именно квантового перепутывания является наличие неопределённости в этих состояниях. Т.е., мы не знаем жив ли кот или нет, не знаем также, распалось или нет ядро. Однако нам достоверно известно, что распадётся ядро - умрёт кот, не распадётся - кот будет жив.
Интерес к этому явлению среди современных учёных большой, и связан он с идеей создания квантового компьютера, а также организацией безопасных каналов связи. Это и заставляет раз за разом предпринимать попытки создания в лабораториях если не котов, то хотя бы котят Шрёдингера, т.е. объекты более осязаемые и крупные (мезоскопические), а, значит, поддающиеся более простому контролю, чем отдельные микрочастицы, но проявляющие те же самые свойства квантового перепутывания, что и Шрёдингеровский кот.
Но и менее экзотических, чем лабораторные Шрёдингеровские котята, примеров квантового перепутывания природой создано предостаточное количество. Пожалуй, наиболее доступное проявление перепутанности имеет место всё в том же, любимом всеми нами, атоме. Возьмём самый простой из атомов - первый элемент таблицы Менделеева - водород. Как и все прочие атомы, состоит он из ядра и электронов, но прелесть именно атома водорода в том, что электрон у него всего один, а ядро представляет собой, опять же, единственную и почти совсем элементарную частицу - протон, отличающуюся от электрона, главным образом, положительным знаком электрического заряда и весьма нехилой массой (превышающей массу электрона почти в 2000 раз).
В одном из своих предыдущих постов я рассказывал о том, что некоторые микрочастицы, в частности, электрон обладают такой характеристикой как спин, или, если пользоваться простой аналогией, крутятся вокруг своей оси в каком-либо из двух направлений (по или против часовой стрелки), которое, в свою очередь, определяется одним из двух значений так называемой проекции спина. Так вот протон, как и электрон, имеет спин и может "вращаться" вправо или влево. Притом, оказывается, что "наиболее комфортным" состоянием с наименьшей энергией для электрона и протона, образующих атом водорода, является то, в котором вращаются они в противоположных направлениях, как бы компенсируя спины друг друга, так что общая его проекция равна нулю (этот факт, кстати, используется для различных астрофизических наблюдений).
В этой-то особенности водорода и кроется заветная перепутанность и крохотный, размером с атом, Шрёдингеровский котёнок. Действительно, пока мы не поставили соответствующих экспериментов и не измерили проекции спина частиц, мы не знаем, вращается ли протон вправо или влево. То же самое мы можем сказать и об электроне. Однако, что знаем мы точно, так это то, что если электрон вращается против часовой стрелки, то протон - по ней, и наоборот.
В своей знаменитой статье 1935 года А.Эйнштейн, Б.Подольский и Н.Розен указали на изъяны квантовой теории, которая оперирует подобными запутанными состояниями (их называют EPR-парами по первым буквам фамилий авторов статьи), в частности, приводящий к кажущемуся противоречию с теорией относительности и парадоксальному нарушению причинно-следственных связей. Но об этом уже в следующий раз.
А так квантовое запутывание представляют себе некоторые художники...
Самая соль этих свойств состоит в так называемом квантовом перепутывании или запутанности (англ. "entanglement"). Название этого явления, в общем, отражает его суть. Действительно, в рассмотренном примере перепутанными (иначе говоря, жёстко связанными друг с другом) оказываются состояния радиоактивного ядра и кота. Важным аспектом именно квантового перепутывания является наличие неопределённости в этих состояниях. Т.е., мы не знаем жив ли кот или нет, не знаем также, распалось или нет ядро. Однако нам достоверно известно, что распадётся ядро - умрёт кот, не распадётся - кот будет жив.
Интерес к этому явлению среди современных учёных большой, и связан он с идеей создания квантового компьютера, а также организацией безопасных каналов связи. Это и заставляет раз за разом предпринимать попытки создания в лабораториях если не котов, то хотя бы котят Шрёдингера, т.е. объекты более осязаемые и крупные (мезоскопические), а, значит, поддающиеся более простому контролю, чем отдельные микрочастицы, но проявляющие те же самые свойства квантового перепутывания, что и Шрёдингеровский кот.
Но и менее экзотических, чем лабораторные Шрёдингеровские котята, примеров квантового перепутывания природой создано предостаточное количество. Пожалуй, наиболее доступное проявление перепутанности имеет место всё в том же, любимом всеми нами, атоме. Возьмём самый простой из атомов - первый элемент таблицы Менделеева - водород. Как и все прочие атомы, состоит он из ядра и электронов, но прелесть именно атома водорода в том, что электрон у него всего один, а ядро представляет собой, опять же, единственную и почти совсем элементарную частицу - протон, отличающуюся от электрона, главным образом, положительным знаком электрического заряда и весьма нехилой массой (превышающей массу электрона почти в 2000 раз).
В одном из своих предыдущих постов я рассказывал о том, что некоторые микрочастицы, в частности, электрон обладают такой характеристикой как спин, или, если пользоваться простой аналогией, крутятся вокруг своей оси в каком-либо из двух направлений (по или против часовой стрелки), которое, в свою очередь, определяется одним из двух значений так называемой проекции спина. Так вот протон, как и электрон, имеет спин и может "вращаться" вправо или влево. Притом, оказывается, что "наиболее комфортным" состоянием с наименьшей энергией для электрона и протона, образующих атом водорода, является то, в котором вращаются они в противоположных направлениях, как бы компенсируя спины друг друга, так что общая его проекция равна нулю (этот факт, кстати, используется для различных астрофизических наблюдений).
В этой-то особенности водорода и кроется заветная перепутанность и крохотный, размером с атом, Шрёдингеровский котёнок. Действительно, пока мы не поставили соответствующих экспериментов и не измерили проекции спина частиц, мы не знаем, вращается ли протон вправо или влево. То же самое мы можем сказать и об электроне. Однако, что знаем мы точно, так это то, что если электрон вращается против часовой стрелки, то протон - по ней, и наоборот.
В своей знаменитой статье 1935 года А.Эйнштейн, Б.Подольский и Н.Розен указали на изъяны квантовой теории, которая оперирует подобными запутанными состояниями (их называют EPR-парами по первым буквам фамилий авторов статьи), в частности, приводящий к кажущемуся противоречию с теорией относительности и парадоксальному нарушению причинно-следственных связей. Но об этом уже в следующий раз.
А так квантовое запутывание представляют себе некоторые художники...