24. června 2015

Ke své hanbě se chci přiznat, že jsem tento výraz slyšel, ale vůbec jsem nevěděl, co znamená a dokonce ani na jaké téma byl použit. Řeknu vám, co jsem se o této kočce dočetl na internetu...

« Shroedingerova kočka“ – tak se jmenuje slavný myšlenkový experiment slavného rakouského teoretického fyzika Erwina Schrödingera, který je rovněž laureátem Nobelova cena. Pomocí tohoto fiktivního experimentu chtěl vědec ukázat neúplnost kvantové mechaniky při přechodu od subatomárních systémů k makroskopickým systémům.

Původní článek Erwina Schrödingera vyšel v roce 1935. Tady je citát:

Můžete také konstruovat případy, ve kterých je docela burleska. Nechte nějakou kočku zavřít do ocelové komory spolu s následujícím ďábelským strojem (který musí existovat bez ohledu na zásah kočky): uvnitř Geigerova počítače je nepatrné množství radioaktivní látky, tak malé, že se během hodiny může rozpadnout pouze jeden atom. , ale se stejnou pravděpodobností se nemusí rozpadnout; pokud k tomu dojde, čtecí trubice se vybije a aktivuje se relé, čímž se uvolní kladivo, které rozbije baňku s kyselinou kyanovodíkovou.

Pokud celý tento systém necháme hodinu pro sebe, pak můžeme říci, že kočka bude po této době naživu, pokud se atom nerozpadne. Hned první rozpad atomu by kočku otrávil. Psi-funkce systému jako celku to vyjádří smícháním nebo namazáním živé a mrtvé kočky (promiňte ten výraz) rovným dílem. Typické pro takové případy je, že nejistota původně omezená na atomový svět se transformuje na makroskopickou nejistotu, kterou lze eliminovat přímým pozorováním. To nám brání naivně přijmout „model rozostření“ jako odraz reality. To samo o sobě neznamená nic nejasného nebo rozporuplného. Je rozdíl mezi rozmazanou nebo neostrou fotkou a fotkou mraků nebo mlhy.

Jinými slovy:

1. Je tam krabice a kočka. Krabice obsahuje mechanismus obsahující radioaktivní atomové jádro a nádobu s jedovatým plynem. Experimentální parametry byly zvoleny tak, aby pravděpodobnost jaderného rozpadu za 1 hodinu byla 50 %. Pokud se jádro rozpadne, otevře se nádoba s plynem a kočka zemře. Pokud se jádro nerozpadne, kočka zůstává živá a zdravá.
2. Kočku zavřeme do krabice, hodinu počkáme a položíme otázku: je kočka živá nebo mrtvá?
3. Zdá se, že kvantová mechanika nám říká, že atomové jádro (a tedy i kočka) je ve všech možných stavech současně (viz kvantová superpozice). Než otevřeme krabici, je systém cat-core ve stavu „jádro se rozpadlo, kočka je mrtvá“ s pravděpodobností 50 % a ve stavu „jádro se nerozpadlo, kočka žije“ s pravděpodobnost 50 %. Ukáže se, že kočka sedící v boxu je živá i mrtvá zároveň.
4. Podle moderní kodaňské interpretace je kočka živá/mrtvá bez jakýchkoli přechodných stavů. A volba stavu rozpadu jádra nastává nikoli v okamžiku otevření krabice, ale dokonce i tehdy, když jádro vstoupí do detektoru. Protože snížení vlnové funkce systému „kočka-detektor-nucleus“ není spojeno s lidským pozorovatelem krabice, ale je spojeno s detektorem-pozorovatelem jádra.

Podle kvantová mechanika, pokud se jádro atomu nepozoruje, pak je jeho stav popsán směsí dvou stavů - rozpadlé jádro a nerozložené jádro, proto kočka sedící v krabici a personifikující jádro atomu je obojí živý a mrtvý zároveň. Pokud je krabice otevřena, může experimentátor vidět pouze jeden konkrétní stav – „jádro se rozpadlo, kočka je mrtvá“ nebo „jádro se nerozpadlo, kočka žije“.

Vůně lidský jazyk: Schrödingerův experiment ukázal, že z pohledu kvantové mechaniky je kočka živá i mrtvá, což být nemůže. Proto má kvantová mechanika značné nedostatky.

Otázka zní: kdy systém přestane existovat jako směs dvou stavů a ​​vybere si jeden konkrétní? Účelem experimentu je ukázat, že kvantová mechanika je neúplná bez některých pravidel, která naznačují, za jakých podmínek se vlnová funkce zhroutí a kočka buď zemře, nebo zůstane naživu, ale přestane být směsí obojího. Protože je jasné, že kočka musí být buď živá, nebo mrtvá (mezi životem a smrtí neexistuje žádný stavový mezistupeň), bude to podobné pro atomové jádro. Musí být buď rozpadlé, nebo nerozpadlé (Wikipedie).

Další novější interpretací Schrödingerova myšlenkového experimentu je příběh, který Sheldon Cooper vyprávěl své méně vzdělané sousedce Penny, postava z Teorie velkého třesku. Pointou Sheldonova příběhu je, že koncept Schrödingerovy kočky lze aplikovat na lidské vztahy. Abyste pochopili, co se děje mezi mužem a ženou, jaký je mezi nimi vztah: dobrý nebo špatný, stačí otevřít krabici. Do té doby je vztah dobrý i špatný.

Níže je videoklip této výměny teorie velkého třesku mezi Sheldonem a Penií.

Schrödingerova ilustrace je nejlepší příklad abychom popsali hlavní paradox kvantové fyziky: podle jejích zákonů existují částice jako elektrony, fotony a dokonce atomy současně ve dvou stavech („živé“ a „mrtvé“, pokud si pamatujete na dlouho trpící kočku). Tyto stavy se nazývají superpozice.

Americký fyzik Art Hobson z University of Arkansas (Arkansas State University) navrhl své řešení tohoto paradoxu.

„Měření v kvantové fyzice je založeno na provozu určitých makroskopických zařízení, jako je Geigerův počítač, pomocí kterého se určuje kvantový stav mikroskopických systémů – atomů, fotonů a elektronů. Kvantová teorie znamená, že pokud připojíte mikroskopický systém (částici) k nějakému makroskopickému zařízení, které tyto dva různé státy systému, pak zařízení (např. Geigerův čítač) přejde do stavu Kvantové zapletení a bude také ve dvou superpozicích současně. Přímo pozorovat tento jev je však nemožné, a proto je nepřijatelný,“ říká fyzik.

Hobson říká, že ve Schrödingerově paradoxu hraje kočka roli makroskopického zařízení, Geigerova počítače, připojeného k radioaktivnímu jádru, aby se určil stav rozpadu nebo „nerozpadu“ tohoto jádra. V tomto případě bude živá kočka indikátorem „nerozkladu“ a mrtvá kočka bude indikátorem rozkladu. Ale podle kvantové teorie musí kočka, stejně jako jádro, existovat ve dvou superpozicích života a smrti.

Fyzik říká, že místo toho by měl být kvantový stav kočky spojen se stavem atomu, což znamená, že jsou mezi sebou v „nelokálním vztahu“. To znamená, že pokud se stav jednoho ze zapletených objektů náhle změní na opačný, pak se změní i stav jeho páru, bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou. Hobson se přitom odvolává na experimentální potvrzení této kvantové teorie.

„Nejzajímavější na teorii kvantového provázání je, že ke změně stavu obou částic dochází okamžitě: žádné světlo ani elektromagnetický signál by neměl čas přenést informace z jednoho systému do druhého. Takže můžete říci, že je to jeden objekt rozdělený na dvě části prostorem, bez ohledu na to, jak velká je vzdálenost mezi nimi,“ vysvětluje Hobson.

Schrödingerova kočka už není živá a mrtvá zároveň. Je mrtvý, pokud k rozpadu dojde, a živý, pokud k rozpadu nikdy nedojde.

Dodejme, že podobná řešení tohoto paradoxu navrhovaly během uplynulých třiceti let ještě tři skupiny vědců, ale nebyly brány vážně a v širší komunitě zůstaly bez povšimnutí. vědeckých kruzích. Hobson poznamenává, že řešení paradoxů kvantové mechaniky, alespoň teoreticky, je pro její hlubší pochopení naprosto nezbytné.

Schrödinger

Ale teprve nedávno TEORETICI VYSVĚTLILI, JAK GRAVITACE ZABÍJÍ SCHRODINGEROVOU KOČKU, ale tohle je složitější...

Fyzikové zpravidla vysvětlují jev, že superpozice je možná ve světě částic, ale není možná u koček nebo jiných makroobjektů, interference z životní prostředí. Když kvantový objekt projde polem nebo interaguje s náhodnými částicemi, okamžitě zaujme právě jeden stav – jako by byl změřen. Přesně takto je zničena superpozice, jak se vědci domnívali.

Ale i kdyby bylo nějak možné izolovat makroobjekt ve stavu superpozice od interakcí s jinými částicemi a poli, stejně by dříve nebo později získal jediný stav. Alespoň to platí pro procesy probíhající na povrchu Země.

"Někde v mezihvězdném prostoru by možná kočka měla šanci zachovat kvantovou koherenci, ale na Zemi nebo v blízkosti jakékoli planety je to krajně nepravděpodobné." A důvodem je gravitace,“ vysvětluje hlavní autor nové studie Igor Pikovski z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Pikovský a jeho kolegové z Vídeňské univerzity tvrdí, že gravitace má destruktivní vliv na kvantové superpozice makroobjektů, a proto podobné jevy v makrokosmu nepozorujeme. Základní koncept nové hypotézy je mimochodem stručně nastíněn v celovečerním filmu „Interstellar“.

Einsteinova teorie obecné relativity říká, že extrémně masivní objekt bude ohýbat časoprostor kolem sebe. Pokud vezmeme v úvahu situaci na menší úrovni, můžeme říci, že molekule umístěné blízko povrchu Země bude čas plynout poněkud pomaleji než molekule umístěné na oběžné dráze naší planety.

Vlivem gravitace na časoprostor dojde u molekuly ovlivněné tímto vlivem k odchylce své polohy. A to by zase mělo ovlivnit jeho vnitřní energii – vibrace částic v molekule, které se v čase mění. Pokud by byla molekula uvedena do stavu kvantové superpozice dvou míst, pak by vztah mezi polohou a vnitřní energií brzy přinutil molekulu „vybrat si“ pouze jednu ze dvou poloh v prostoru.

„Ve většině případů je fenomén dekoherence spojen s vnějším vlivem, ale v v tomto případě vnitřní vibrace částic interaguje s pohybem samotné molekuly,“ vysvětluje Pikovský.

Tento efekt nebyl dosud pozorován, protože jiné zdroje dekoherence, jako např magnetické pole, tepelné záření a vibrace jsou obvykle mnohem silnější, což způsobuje destrukci kvantových systémů mnohem dříve než gravitace. Experimentátoři se ale snaží hypotézu otestovat.

Podobné nastavení by také mohlo být použito k testování schopnosti gravitace zničit kvantové systémy. K tomu bude nutné porovnat vertikální a horizontální interferometry: v prvním by měla superpozice brzy zmizet kvůli dilataci času v různých „výškách“ dráhy, zatímco ve druhém může kvantová superpozice zůstat.

Zdroje

http://4brain.ru/blog/%D0%BA%D0%BE%D1%82-%D1%88%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0% B3%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1% 82%D1%8B%D0%BC%D0%B8-%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8/

http://www.vesti.ru/doc.html?id=2632838

Tady je trochu více pseudovědecké: například a zde. Pokud ještě nevíte, přečtěte si o čem a co to je. A zjistíme co Původní článek je na webu InfoGlaz.rf Odkaz na článek, ze kterého byla vytvořena tato kopie -

Fyzici vytvořili kvantovou mechaniku, aby popsali zákony světa, ve kterém mikroobjekty žijí. Ukázalo se však, že tyto zákony jsou tak záhadné a kontraintuitivní, že vědci stále chápou některé jejich aspekty. Artyom Korzhimanov, kandidát fyzikálních a matematických věd, vedoucí vědecký pracovník Institutu aplikované fyziky Ruské akademie věd, autor populárně vědeckého blogu physh.ru, hovoří o nedávné práci věnované studiu fenoménu kvantové superpozice.

Kvantová superpozice - základ kvantové mechaniky

Kvantová mechanika, která vznikla na počátku 20. století a dozrála ve 30. letech 20. století, je dnes již osvědčenou a mimořádně úspěšnou fyzikální teorií. Naše civilizace je nemyslitelná bez technických výdobytků, které jí vděčí za svůj vzhled. Stačí zmínit, že počítač, notebook nebo smartphone, se kterým tento text čtete, by nikdy nevznikly, kdyby neexistovala kvantová mechanika.

Vědci však za tyto úspěchy museli zaplatit vysokou cenu, protože principy kvantové teorie jsou natolik v rozporu s naší intuicí, že silné mysli lidstvo mávalo bílou vlajkou ve snaze dát jim nějaký druh výkladu, který by se lišil od slavné věty připisované buď Richardu Feynmanovi nebo Davidu Merminovi: "Drž hubu a počítejte!"

Jedním takovým paradoxním principem je princip kvantové superpozice. Obecně jsme všichni velmi dobře obeznámeni s principem superpozice, i když to tak v každodenním životě nemusíme nazývat. Obvykle se superpozice chápe jako jednoduché pozorování: pokud jedna akce vede k jednomu výsledku a druhá akce vede k druhé, pak jejich společná akce přinese oba výsledky. Například, když si koupíte jablko a váš přítel si koupí jablko, pak společně koupíte dvě jablka. Princip superpozice samozřejmě není vždy splněn: pokud v obchodě zbude na prodej pouze jedno jablko, pak si vy a váš přítel nikdy nekoupíte dvě jablka, i když byste si mohli koupit jablko samostatně.

Kvantová superpozice se však od klasické superpozice výrazně liší. V kvantové teorii mluvíme o superpozici nikoli akcí, ale stavů. Například, pokud máte dvě krabice, pak elektron může být v jedné z nich nebo ve druhé, ale také se ukazuje, že může být v superpozici těchto dvou stavů - tedy v jistém smyslu v obou krabicích na stejný čas . Tato skutečnost, která odporuje všem našim každodenním zkušenostem, byla opakovaně potvrzena v různých experimentech nejen s elektrony, ale i s většími předměty, až po docela makroskopické supravodivé kovové prstence, ve kterých proud současně protéká po i proti směru hodinových ručiček.

Dvouštěrbinový experiment

Klasickým příkladem demonstrujícím fenomén kvantové superpozice je dvouštěrbinový experiment. Tento experiment toho má hodně velká důležitost porozumět kvantové mechanice, kterou slavný fyzik Richard Feynman ve svých neméně slavných „Feynmanových přednáškách o fyzice“ nazývá fenoménem, ​​„který je nemožné, absolutně, absolutně nemožné vysvětlit klasickým způsobem. Tento jev obsahuje samotnou podstatu kvantové mechaniky.“

Podstata zážitku je poměrně jednoduchá. Nechť existuje zdroj částic - mohou to být částice světla, fotony, elektrony, atomy a nedávno byl proveden experiment s molekulami - a tento zdroj osvětluje desku, která je pro částice neprůhledná. V desce jsou vytvořeny dvě tenké štěrbiny a za nimi je síto, na kterém přicházející částice zanechávají stopy. Pokud uzavřeme jednu ze štěrbin, uvidíme na obrazovce naproti druhé štěrbině víceméně tenký proužek. Pokud zavřeme druhou štěrbinu a otevřeme první, výsledek bude stejný, ale pruh se objeví naproti první štěrbině. Otázkou je, co se stane, když se obě štěrbiny otevřou současně?

Každodenní intuice naznačuje, že v tomto případě uvidíme na obrazovce jen dva pruhy. Nebo, pokud jsou štěrbiny umístěny dostatečně blízko u sebe, jeden silnější pásek, získaný jednoduše překrýváním proužků z každého ze štěrbin. Nicméně Thomas Young, který jako první provedl tento experiment zpět začátek XIX století jsem byl překvapen, když jsem pozoroval úplně jiný obrázek. Na obrazovce bylo jasně vidět mnoho pruhů, jejichž tloušťka byla menší než tloušťka pruhů získaných původně. Nyní tomu říkáme interferenční obrazec a samotný efekt se nazývá interference s dvojitou štěrbinou.

.

Thomas Young však nepracoval s jednotlivými částicemi, ale s jejich velkým množstvím – s jasným světelným zdrojem. Proto, i když jeho pozorování dokázalo, že světlo je vlna, nezpůsobilo skutečnou revoluci ve světovém názoru. Vědci prostě začali popisovat světlo jako vlny. Ale pro vlny je jev interference přirozený. Vhoďte dva oblázky do vody a uvidíte, že kruhy, které se od nich rozcházejí a protínají, tvoří poměrně složitý obrazec, který bude interferenčním obrazcem.

Revoluce se odehrála na počátku 20. století. První v teoretické práce Max Planck a Albert Einstein představili hypotézu, že světlo se skládá z částic, a poté se britskému fyzikovi Geoffrey Ingram Taylorovi podařilo Youngův experiment zopakovat, ale s tak slabým světelným zdrojem, že na obrazovce bylo možné detekovat příchod jednotlivých fotonů. Interferenční obrazec získaný po příchodu velkého množství fotonů přitom zůstal stejný jako Youngův. Ukázalo se tedy, že se zdá, že světlo sestává z částic, ale tyto částice se chovají jako vlny.

Situaci ještě zkomplikoval fakt, že podobný efekt byl předpovězen pro elektrony – částice, od kterých se vlnové vlastnosti a jev interference rozhodně nečekaly. A přestože analog Youngova experimentu s elektrony provedl teprve v roce 1961 německý fyzik Klaus Jonsson, přítomnost vlnových vlastností v nich byla prokázána jinými metodami již ve dvacátých letech minulého století.

.

K vyřešení vzniklého rozporu, který se nazývá dualita vlna-částice, museli vědci předpokládat, že každá částice odpovídá určité vlně – nazývá se to vlnová funkce – která závisí na stavu, ve kterém se částice nachází. Například, pokud částice prošla jednou štěrbinou, pak je to jeden stav a má jednu vlnovou funkci, a pokud částice prošla jinou štěrbinou, pak je v jiném stavu a má jinou vlnovou funkci. Princip kvantové superpozice říká, že se dvěma otevřenými štěrbinami je částice ve stavu superpozice prvního a druhého stavu a podle toho je její vlnová funkce součtem dvou vlnových funkcí. Tento součet vede ke vzniku interferenčního vzoru. V tomto smyslu se říká, že částice projde oběma štěrbinami najednou, protože pokud by prošla pouze jednou z nich, pak by neexistoval žádný interferenční obrazec.

Je s podivem, že navzdory roli, kterou v kvantové fyzice hraje experiment s dvojitou štěrbinou, jej mnoho vědců nechápe zcela správně. Toto nesprávné vysvětlení je navíc přítomno ve většině učebnic kvantové mechaniky. Faktem je, že jev superpozice se v tomto experimentu obvykle vysvětluje takto: vlnová funkce stavu, ve kterém elektron prochází dvěma štěrbinami, se nachází, je součtem vlnových funkcí stavů, ve kterých by byl, kdyby jedna ze štěrbin byla uzavřena. Toto vysvětlení však nebere v úvahu, že otevřením druhé štěrbiny můžeme změnit způsob, jakým elektron prochází první. Vrátíme-li se k příkladu s jablky, představte si, že kupujete jablko za peníze, které jste si půjčili od kamaráda, a pak nákup dvou jablek nepůjde tak hladce, jako když jeden z vás koupí jedno jablko, protože možná nemáte tolik peněz, které by vám stačily. .

Tříštěrbinový experiment: teorie

Podstatu toho, co se stane, když je otevřena více než jedna štěrbina, lze snáze vysvětlit na příkladu experimentu, ve kterém je přidána další štěrbina. Kromě toho je vhodné přejít k alternativnímu popisu kvantové fyziky, který vynalezl stejný Richard Feynman. Na konci čtyřicátých let minulého století ukázal, že všechny výsledky tehdy rozvinuté kvantové mechaniky lze získat bez zavádění jakýchkoli vlnových funkcí, ale za předpokladu, že se částice pohybuje z jednoho bodu do druhého po všech možných trajektoriích najednou, ale „váha“ každé trajektorie, tedy její příspěvek ke konečnému výsledku, je různý a určuje se podle zvláštních pravidel.

Největší váhu mají trajektorie, které se blíží klasickým. Například v případě dvou štěrbin jsou takové trajektorie na obrázku níže znázorněny zeleně.

R. Sawant a kol., PRL 113, 120406 (2014)

Ale přispívá i mnoho dalších trajektorií a dokonce i takových exotických, při kterých se částice pohybuje část cesty zpět a ne dopředu. Mezi nimi jsou ty, které po vstupu do jedné ze štěrbin procházejí další a vystupují třetí, jak je znázorněno fialově na obrázku níže.

Sawant a kol., PRL 113, 120406 (2014)

Právě přítomnost takovýchto neklasických trajektorií vede k tomu, že stav částice po průchodu třemi štěrbinami není roven prostému součtu stavů jejího průchodu každou z nich samostatně s dalšími dvěma uzavřenými. Rozdíl je samozřejmě obvykle malý, ale za prvé může být významný, pokud máte zájem o některé slabé efekty, a za druhé jej lze posílit použitím speciálních triků.

První, kdo poukázal na nesprávnost obvyklého vysvětlení principu superpozice pro dvouštěrbinový experiment, byl zřejmě japonský fyzik H. Yabuki již v roce 1986, ale jeho práce na dlouhou dobu zůstal bez povšimnutí. Novodobý zájem o toto téma oživil článek z roku 2012 publikovaný v prestižním časopise Physical Review A. Autoři v něm zkoumali případ klasické vlnové interference na třech štěrbinách na příkladu elektromagnetických vln. Přímou numerickou simulací Maxwellových rovnic, zásadních pro tuto oblast, ukázali, že rozdíl mezi správnou odpovědí a odpovědí získanou nesprávnou interpretací principu superpozice je za reálných podmínek asi 0,5 %. A přestože je tato hodnota malá a zatím ji není možné experimentálně změřit, samotný efekt je nepopiratelný.

Ale přesto by vědci rádi tuto skutečnost experimentálně prověřili, a tak v letech 2014 a 2015 stejná skupina vědců, vedená indickou fyzičkou Urbasi Sinha, publikovala dva články v Physical Review Letters a Scientific Reports, ve kterých zkoumali podrobně kvantovou teorií průchodu částic třemi štěrbinami a ukázal, že účinek nesouladu mezi správným výsledkem a predikcí nesprávné interpretace může být znatelně zesílen, pokud jsou měření prováděna s elektromagnetickými vlnami mimo optický rozsah, tj. je sice se světlem, ale v mikrovlnné oblasti - takové vlny se používají například v domácích mikrovlnných troubách k ohřevu jídla.

Tříštěrbinový experiment: praxe

Urbasi Sinha v komentáři k článku z roku 2014 tvrdila, že její skupina již zahájila experiment s mikrovlnami, ale jejich výsledky ještě nebyly zveřejněny. Ale docela nedávno byl publikován článek jiné skupiny vědců pod vedením slavný fyzik Robert Boyd (proslul např. tím, že jako první provedl experiment s „pomalým“ světlem). Článek byl publikován v Nature Communications a experimentálně prokázal diskutovaný efekt. Pravda, myšlenka tohoto experimentu byla jiná.

Robert Boyd a jeho kolegové navrhli zvýšit „váhu“ neklasických trajektorií v blízkosti desky se štěrbinami pomocí takzvaných plazmonů. Plazmony jsou něco jako „fotony na laně“, které mohou procházet pouze po povrchu kovu z jedné štěrbiny do druhé. Pro tento účel byla ze zlata vyrobena deska se štěrbinami. Zlato je vynikající vodič, takže vytváří obzvláště silné plasmony.

V experimentu zdroj světla ozařoval pouze jednu ze tří štěrbin. Navíc, pokud byly další dva uzavřené, pak byl pozorován typický obraz mírně rozmazaného pruhu naproti otevřené štěrbině. Ale když byly otevřeny další dvě štěrbiny, obraz byl radikálně odlišný: objevil se typický interferenční obrazec s mnohem užšími pruhy.

Porovnání obrázků na obrazovce, když jsou dva ze tří štěrbin zavřené (vlevo) a když jsou všechny tři štěrbiny otevřené (vpravo). O. S. Magaña-Loaiza a kol., Nat. Commun. 7, 13987 (2016)

Proč jsou všechny tyto jemnosti potřebné?

Mohou mít tyto studie nějaké praktické důsledky? Autoři zmíněných děl v to doufají. Fenomén kvantové superpozice je hojně využíván pro tzv. kvantovou komunikaci. Na jeho základě to například funguje kvantová kryptografie. Je to fenomén superpozice, který dává kvantovým počítačům nepopiratelné výhody oproti počítačům založeným na tradiční elektronice. Proto je v těchto směrech extrémně důležité přesné pochopení toho, jak funguje kvantová superpozice. A proto můžeme doufat, že studie interference na třech štěrbinách pomohou přijít s novými, efektivnějšími protokoly pro provoz kvantových zařízení.

1. Hans De Raedt, Kristel Michielsen a Karl Hess, „Analýza vícecestné interference v experimentech se třemi štěrbinami“ // Phys. Rev. A 85, 012101 (2012)
2. Rahul Sawant, Joseph Samuel, Aninda Sinha, Supurna Sinha a Urbasi Sinha, „Neklasické cesty v experimentech s kvantovou interferencí“, Phys. Rev. Lett. 113, 120406 (2014)
3. Michael Schirber, „Curvy Photon Trajectories Could Be Detectable“ // Physics 7, 96 (2014)
4. Stuart Mason Dambrot, „Superposition revisited: Proposed resolution double-slit experiment paradox using Feynman path integration formalism“ // phys.org (2014-10-02)
5. Hamish Johnston, „Fotony se proplétají trojitou štěrbinou“ // PhysicsWorld (2014-09-25)
6. Aninda Sinha, Aravind H. Vijay & Urbasi Sinha, „Na principu superpozice v experimentech s interferencemi“ // Scientific Reports 5, 10304 (2015)
7. Omar S Magaña-Loaiza, Israel De Leon, Mohammad Mirhosseini, Robert Fickler, Akbar Safari, Uwe Mick, Brian McIntyre, Peter Banzer, Brandon Rodenburg, Gerd Leuchs & Robert W. Boyd, „Exotické smyčkové trajektorie fotonů v interferenci se třemi štěrbinami " // Nature Communications 7, 13987 (2016)
8. Lisa Zyga, „Fyzici detekují exotické smyčkové trajektorie světla v experimentu se třemi štěrbinami“ // phys.org

Kvantová superpozice je superpozice vzájemně se vylučujících stavů. Teoretický příklad Takovou superpozicí je myšlenkový experiment „Schrödingerova kočka“. Podle jejích podmínek se kočka umístěná v uzavřené schránce s radioaktivní látkou, jejíž pravděpodobnost rozpadu není známa, a kyselinou kyanovodíkovou, může makroskopickému pozorovateli jevit živá i mrtvá. V praxi je kvantová superpozice realizována například v qubitech – prvcích pro ukládání dat v kvantových počítačích.

V nové studii vědci zachytili kvantovou superpozici dvouatomových molekul plynného jodu pomocí rentgenového laseru s volnými elektrony LCLS. Při volném pohybu byly molekuly látky rozděleny na excitované a neutrální atomy v důsledku absorpce energie. Záření LCLS je od sebe odstranilo a rekombinovalo je ve formě rentgenového obrazce s přírůstky 30 femtosekund. Minimální krok pro pohyb molekul v různých obrázcích byl 0,3 angstromu (0,03 nanometru) - méně než šířka atomu.

Je zdůrazněno, že elektronový dopad laserového pulsu se přímo dotkl pouze 4–5 procent molekul, ale z hlediska kvantové mechaniky excitoval všechny molekuly látky analogicky se „Schrödingerovou kočkou“. Skutečnost kvantové superpozice byla potvrzena LCLS detekcí odraženého záření z obou stavů molekul současně. Na rentgenovém difrakčním obrazci to vypadalo jako řada soustředných prstenců, jasnější ve fázi synchronizace mezimolekulárních vibrací a tmavší ve fázi desynchronizace.

"Nejprve molekula vibruje a její atomy se vychylují do strany a vzdalují se od sebe." Pak se spojení mezi atomy přeruší a atomy spadnou do prázdna. Spojení je však stále zachováno. Atomy zůstávají nějakou dobu ve vzájemné vzdálenosti, než se vrátí do původního stavu. Postupně se vibrace molekuly vyrovnají a molekula se vrátí do klidového stavu. Celý proces netrvá déle než biliontiny sekundy,“ popsal fenomén profesor Phil Bucksbaum.

Dodal, že pokud by došlo k přerušení meziatomové vazby, záznam kvantové superpozice by byl nemožný. Tým byl první, kdo pro takové účely použil intenzivní ultrakrátké pulzy koherentního záření. Mezitím lze popsanou techniku ​​použít nejen v budoucích, ale také v minulých studiích, poznamenali vědci. Vyjádřili také svou připravenost pokračovat v natáčení „molekulárního kina“ v jiných oblastech, například v biologii - studovat mechanismy ochrany DNA před ultrafialovým zářením.

"Molecular Cinema" produkoval LCLS. Modré tečky jsou excitované atomy, červené tečky jsou neutrální atomy existující současně. © J. M. Glownia a kol

Kvantová magie Doronin Sergey Ivanovič

2.4. Superpozice stavů

2.4. Superpozice stavů

Přítomnost „nepřirozených“ (z klasického pohledu) stavů ve světě kolem nás, objektivita jejich existence je potvrzena fyzikálními experimenty, a tato skutečnost je přímým důsledkem jednoho z nejvíce základní principy kvantová mechanika - princip superpozice stavů. Nebo lépe řečeno obráceně: tato inherentní vlastnost přírody se odráží v základním teoretickém principu kvantové mechaniky. Lze jej formulovat následovně.

Princip superpozice stavů : jestliže systém může být v různých stavech, pak je schopen být ve stavech, které jsou získány jako výsledek současné „superpozice“ dvou nebo více stavů z této množiny.

V kvantové teorii jsou kvalitativně dva různé typy superpozice v souladu se skutečností, že čisté stavy lze popsat stavovým vektorem a smíšené stavy - maticemi hustoty. Proto se buď stavové vektory nebo matice hustoty mohou navzájem překrývat. Nyní budeme hovořit o superpozici čistých stavů, abychom tuto okolnost zdůraznili, obvykle se používají výrazy „koherentní superpozice“ a „koherentní stavy“.

V klasické fyzice je také široce používán pojem superpozice. Ve škole jsme všichni kreslili vektorové šipky pro síly působící na těleso a pomocí pravidla rovnoběžníku (trojúhelníku) jsme našli výsledný vektor síly. V tomto případě jsme použili princip superpozice klasické fyziky, jehož podstatou je, že výsledný efekt z více nezávislých vlivů je součtem efektů způsobených každým vlivem zvlášť. Platí pro systémy nebo fyzikální pole popsaná lineárními rovnicemi.

Ale v klasické fyzice je princip superpozice přibližný a není univerzální. Je to spíše důsledek linearity pohybových rovnic odpovídajících systémů a slouží jako docela dobrá aproximace, když jsou nelineární efekty nevýznamné.

Jiná situace je v kvantové mechanice. V něm je zásadní princip superpozice, jeden z hlavních postulátů, které určují strukturu matematického aparátu teorie. Z toho např. vyplývá, že státy kvantová mechanika

Z knihy Geopsychologie v šamanismu, fyzice a taoismu autor Mindell Arnold

Z knihy Síla ticha autor Mindell Arnold

Z knihy Temná a světlá stránka reality autor Zorin Petr Grigorjevič

Z knihy Book of Theorems 2 autor Lenskij Vasilij Vasilievič

Superpozice Superpozice, jev superpozice vlnění, je zvláštní vlastností vlnění, ke které dochází vždy, když se vlny setkají. Takové vzájemné sčítání a odčítání, superpozice, se u částic nevyskytuje - to je charakteristické pouze pro

Z knihy Věda, tradice, Jágra o možnostech a metodách rozvoje člověka autor Zarechny Michail

O vlivu stavů Negativní stav, ve kterém se člověk někdy nachází, může u ostatních lidí, kteří jsou s ním v kontaktu, vyvolat buď pocit podráždění, nebo pocit viny. Oba vzájemné pocity jsou ve skutečnosti ochranné povahy. Že,

Z knihy Kvantová magie autor Doronin Sergej Ivanovič

Superpozice bipolárních prostorů Superpoziční zámky Pokud axiom 1 a axiom 6 umožňují interakci samotných zámků, pak vyvstává otázka o zákonitostech interakce mezi všemi objekty, pokud je několik zámků stejného čísla umístěno do superpozice.

Z knihy Automatic Illusion Destroyer aneb 150 nápadů pro chytré a kritické autor Minaeva Jekatěrina Valerievna

Superpozice tripolárních prostorů „Čtveřice“ byly prvním krokem k zavedení izomorfních kvadripolárních prostorů do superpozice. Chybí nejen bipolární, ale i tripolární prostory, které lze zavést do superpozice

Z knihy Psychoenergetické základy morálky autor Baranova Světlana Vasilievna

Čtveřice. Superpozice čtyřpolárních prostorů Historie Po vytvoření teorie „komplexních čísel“ vyvstala otázka existence „hyperkomplexních“ čísel – čísel s několika „imaginárními“ jednotkami. Takový systém byl postaven v roce 1843 irským matematikem W.

Z knihy Integrální spiritualita. Nová role náboženství v moderním a postmoderním světě od Wilbura Kena

Z knihy Fáze. Prolomení iluze reality autor Rainbow Michail

Kapitola 1 Kouzlo zmatených států

Z autorovy knihy

5.8. Realizace zamotaných stavů vědomí Ještě jsme se nedotkli dalšího velmi důležitého

Z autorovy knihy

Z autorovy knihy

1.3. O matrici lidských stavů Lidské stavy tvoří matrici lidských stavů, která je základem individuálního světa a reality člověka. A také matrix lidských stavů se podílí na utváření událostí a situací, s jejichž pomocí

Z autorovy knihy

6.1. O matrici egoistických stavů Osobnost a ego, které pronikly do energetické struktury lidé si z lidských bytostí udělali egoisty. Egoista je ten, pro kterého jsou hlavní zájmy jednotlivce. Základem pro jednání egoisty je egocentrismus, tzn.

Z autorovy knihy

Vliv jevištních stavů Existuje další důvod, proč náboženství, aby fungovala jako velký dopravní pás lidského rozvoje, musí do svých stavů zahrnovat meditativní, kontemplativní a neobyčejné stavy (hrubé, jemné, kauzální, neduální).

Z autorovy knihy

Podstata používání fázových stavů Zpočátku dává fáze tolik emocí a různých druhů zážitků, že praktikující nemá otázku, jak ji k čemu použít. Ale čím více jednorázových zkušeností přichází, tím aktuálnější se tato otázka stává.

Kvantový princip superpozice je ústředním principem kvantové fyziky. Ve vztahu k popisu stavů fotonů to lze vysvětlit následovně. Pokud se foton může dostat do stavu několika způsoby, je výsledná amplituda vstupu do tohoto stavu rovna vektorovému součtu amplitud vstupu do každého ze způsobů. To je třeba mít na paměti amplitudy se sčítají pouze v případě, kdy zásadně nelze rozlišit, jakým způsobem bylo stavu dosaženo. Pokud při provádění experimentu použijete jakékoli zařízení, které vám umožní určit, která z metod dosáhla konečného stavu, pak se amplitudy nesčítají – sečtou se pravděpodobnosti všech metod. V tomto případě nedochází ke kvantové interferenci amplitud pravděpodobnosti.

Příklad kvantové interference. Paprsek fotonů stejné energie směřujeme na dvě vzájemně rovnoběžné planparalelní desky (Fabry-Perotův interferometr). Budeme zaznamenávat fotony odražené od systému.

Popis zážitku v klasickém jazyce vypadá takto. Elektromagnetická vlna se částečně propouští a částečně odráží od první desky. S minulý díl stane se to samé. Odražená vlna je superpozicí dvou vln – odražených od první a odražených od druhé desky. Pokud je dráhový rozdíl odražených vln roven celému počtu vln, pak bude pozorováno zvýšení odraženého světla. Pokud je dráhový rozdíl odražených vln roven lichému počtu půlvln, pak bude pozorováno zeslabení odraženého světla. Proto by při plynulé změně vzdálenosti mezi deskami mělo být pozorováno střídavé zesilování a zeslabování odraženého světla. Tato předpověď je v souladu s experimentálními daty.

Ukazuje se, že všechny předpovědi založené na klasické vlnové teorii, potvrzené experimentálně, vyplývají také z kvantové teorie. Pojďme udělat nějaké kvantové uvažování. Foton dopadající na první desku má amplitudu, kterou se má odrazit, označme ji a1, a má amplitudu projít, označujeme ji b1. Očividně, a1 A b1 musí splňovat podmínku ç a1ç 2+ ç b1ç 2=1 . Amplituda pravděpodobnosti Y2 foton odražený od druhé desky opouštějící první desku má fázi větší než je fáze amplitudy pravděpodobnosti odrazu od první desky Y1=a1 na Dj = 2 kb(pro zjednodušení nebereme v úvahu index lomu desek, to znamená, že desky považujeme za nekonečně tenké), protože výstupní bod fotonu odraženého od druhé desky je oddělen od bodu odrazu od první desku podél trajektorie fotonů dvojnásobnou vzdáleností mezi deskami. Fotonový detektor instalovaný před deskami nedokáže zásadně rozlišit, zda se foton odrazil od první nebo druhé desky. Proto je výsledná amplituda pravděpodobnosti, že se foton odrazí od soustavy desek, rovna vektorovému součtu amplitud Y1 A Y2. Obrázek ukazuje, že s fázovým rozdílem mezi amplitudami pravděpodobnosti rovným celému číslu 2p, součet amplitud se rovná součtu délek šipek a s fázovým rozdílem rovným lichému číslu p, součet amplitud se rovná rozdílu délek šipek. V prvním případě se pravděpodobnost průchodu rovná čtverci součtu délek šipek a ve druhém - čtverci rozdílu v délkách šipek. Obecně se pravděpodobnost odrazu P vypočítá pomocí kosinové věty
P=|Y1|2+ |Y2|2+2 |Y1|× |Y2|cos2kb (3)
Stejně jako klasická teorie, kvantová teorie předpovídá střídavý nárůst a pokles frekvence odezvy detektoru, jak se vzdálenost mezi deskami postupně mění. Pokud zajistíme tuto podmínku ç Y1ç = ç Y2ç, pak v určitých vzdálenostech b pravděpodobnost odrazu může být nulová, ačkoli amplitudy odrazu od první i druhé desky nejsou nulové.

Dalším problémem je zaměření lekce.

Úkol 4. Prostřednictvím dvou štěrbin, z nichž šířka každé je menší než vlnová délka amplitudy pravděpodobnosti l, projít paprsek elektronů. Elektrony dopadají na obrazovku umístěnou na dálku L z trhlin. Amplitudy elektronu vstupujícího do horní a dolní štěrbiny jsou stejné. Zvažte situaci L>>l, b, x.

A) Za předpokladu, že velikosti amplitud pravděpodobnosti pro elektron z horní i dolní štěrbiny, aby dosáhl obrazovky v počátku souřadnic, jsou stejné a stejné Y, určit frekvenci detekce detektoru já, upevněné na obrazovce na dálku X od původu. Uvažujme, že frekvence odezvy detektoru instalovaného na počátku souřadnic je rovna I0. Předpokládejte také, že Y nezávisí na X.
b) Získejte přibližný výraz pro vzdálenost mezi centrálním a prvním maximem intenzity dopadu elektronů.
PROTI) Uveďte kvalitativní předpověď změny difrakčního obrazce v případě, kdy velikosti amplitud elektronu dopadajícího na stínítko ze štěrbin nejsou stejné a jsou nepřímo úměrné vzdálenosti od štěrbiny k bodu dopadu.
G) Jak se změní difrakční obrazec, jestliže fáze amplitudy pravděpodobnosti dopadu elektronu na horní štěrbinu je menší než fáze amplitudy pravděpodobnosti dopadu elektronu na spodní štěrbinu o p/6?

Řešení.A) Protože je v podstatě nemožné určit, ze které štěrbiny elektron dorazí do bodu X, pokud je výsledná amplituda zásahu rovna součtu amplitud. Amplitudy vstupu elektronů z horní a dolní štěrbiny mají fázový rozdíl, kde D l- dráhový rozdíl do bodu X z horní a spodní štěrbiny. Je to rovné
(4)
Odpovídající fázový rozdíl v tomto případě
(5)

Dále sečteme amplitudy pomocí kosinové věty a určíme pravděpodobnost dopadu elektronu na bod X jak to bylo provedeno v příkladu
(6)
Centrální maximum je v bodě x=0. Protože intenzita odezvy detektoru při centrálním maximu je rovna I0, pak , a intenzitu odezvy v bodě X bude zapsáno ve formuláři
(7)

b) Vzdálenost mezi centrálním a prvním maximem je určena z podmínky
(8)
Kde
(9)

PROTI) Když se budete vzdalovat od centrálního maxima a pohybovat se po obrazovce, bude rozdíl v délkách šipek amplitudy pravděpodobnosti. Na rozdíl od situace popsané vzorcem (13), který v minimálních bodech dává nulovou intenzitu odezvy detektoru, odečtení vln amplitud pravděpodobnosti zásahu z různých štěrbin nedává nulu. Na difrakční obrazec bude superponováno monotónní „osvětlení“.

G) K fázovému rozdílu mezi amplitudami pravděpodobnosti daným vzorcem (5) přidáme p/6, takže nový fázový rozdíl bude roven
(10)
Podle toho se vzorec (17) převede na formu
(11)

Vzorec (11) říká, že celý difrakční obrazec se posune dolů o vzdálenost.

Shrňme řešení problému 4. Když je elektronový paprsek rozptýlen na dvou štěrbinách, vlny pravděpodobnostní amplitudy procházející horní a dolní štěrbinou se na sebe překrývají (interferují) a difrakční obrazec se objeví podobný difrakčnímu obrazci světla na dvě štěrbiny. Je pozoruhodné, že pokud je postupně zakryta jedna nebo druhá štěrbina, nebude mít rozptylový vzor minima ani maxima (protože štěrbiny jsou velmi tenké). Maxima a minimum nastanou pouze tehdy, když jsou obě štěrbiny otevřené. Amplitudy pravděpodobnosti dvou možností se sečtou. Nelze říci, že by do detektoru vnikl elektron přicházející z horní štěrbiny nebo ze spodní štěrbiny. Přichází ze dvou štěrbin najednou. Navzdory tomu, že elektron je nedělitelná částice, tak nějak proletí dvěma štěrbinami najednou.

Možnost zásahu státu je hlavní rys kvantová fyzika. To je její hlavní podstata.