Квантовая теория частиц

Что квантовая теория на самом деле говорит о реальности?

Квантовая теория частиц

Демонстрация, которая перевернула идеи великого Исаака Ньютона о природе света, была невероятно простой.

Ее «можно повторить с большой легкостью, где бы ни сияло солнце», говорил английский физик Томас Янг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая эксперимент, который сейчас называется экспериментом с двойной щелью. И Янг не был восторженным юнцом.

Он придумал элегантный и тщательно продуманный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет состоит из корпускул, то есть частиц.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понять, что свет состоит из крошечных неделимых единиц — или квантов — энергии, которые мы называем фотонами.

Эксперимент Янга, проводимый с одиночными фотонами или даже с отдельными частицами материи, такими как электроны и нейроны, представляет собой загадку, которая заставляет задуматься о самой природе реальности.

Некоторые даже использовали его для утверждений, что на квантовый мир влияет человеческое сознание. Но действительно ли простой эксперимент может продемонстрировать подобное?

Может ли сознание определять реальность?

В современной квантовой форме эксперимент Янга включает стрельбу отдельными частицами света или материи через две щели или отверстия, вырезанных в непрозрачном барьере.

По одну сторону барьера находится экран, записывающий прибытие частиц (скажем, фотографическая пластинка в случае с фотонами).

Здравый смысл заставляет нас ожидать, что фотоны будут проходить или через одну, или через другую щель и накапливаться за соответствующим проходом.

Но нет.  Фотоны попадают в определенные части экрана и избегают других, создавая чередующиеся полосы света и темноты. Эти так называемые интерференционные полосы напоминают картину встречи двух волн.

Когда гребни одной волны выравниваются с гребнями другой, вы получаете конструктивную интерференцию (яркие полосы), а когда гребни выравниваются с впадинами, вы получаете деструктивную интерференцию (темнота).

Но ведь через устройство проходит только один фотон за раз. Похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам с собой. Это противоречит здравому (классическому) смыслу.

Математически говоря, через обе щели проходит не физическая частица или физическая волна, а так называемая волновая функция — абстрактная математическая функция, представляющая состояние фотона (в данном случае положение).

Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает по двум щелям, и новые волны выходят по другую стороны щелей, распространяются и интерферируют между собой.

Совмещенная волновая функция позволяет рассчитать вероятность того, где может находиться фотон.

Фотон обладает высокой вероятность оказаться там, где две волновые функции конструктивно интерферируют, и низкой — там, где интерференция деструктивная. Измерения — в данном случае это взаимодействие волновой функции с фотографической пластинкой — приводит к «коллапсу» волновой функции, к ее схлопыванию. В итоге она указывает на одно из мест, в котором фотон материализуется после измерения.

Этот очевидно вызванный измерением коллапс волновой функции стал источником множества концептуальных трудностей в квантовой механике.

До коллапса нет никакого способа наверняка сказать, где окажется фотон; он может быть в любом месте с ненулевой вероятностью. Нет никакого способа проследить траекторию фотона от источника к детектору.

Фотон нереален в том смысле, в котором реален самолет, летящий из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, среди прочих, интерпретировал эту математику так, что реальность не существует, пока не наблюдается.

«Идея объективного реального мира, мельчайшие частицы которого существуют объективно в таком же смысле, в котором существуют камни или деревья, вне зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет, — невозможна», писал он.

Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двойной щелью, чтобы заявить, что «ни одно элементарное квантовое явление не будет явлением, пока не станет зарегистрированным («наблюдаемым», «доподлинно записанным») явлением».

Но квантовая теория совершенно не дает никаких подсказок к тому, что считать «измерением».

Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где лежит эта грань между классическим и квантовым, и оставляя открытой дверцу для тех, кто считает, что коллапс вызывает человеческое сознание.

В прошлом мае Генри Стапп и его коллеги заявили, что эксперимент с двойной щелью и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть необходимым», чтобы наделять смыслом квантовую сферу, и что в основе материального мира лежит трансперсональный разум.

Но эти эксперименты не являются эмпирическим доказательством таких утверждений. В эксперименте с двойной щелью, выполненном с одиночными фотонами, можно лишь проверить вероятностные предсказания математики.

Если вероятности всплывают в процессе досылания десятков тысяч идентичных фотонов через двойную щель, теория утверждает, что волновая функция каждого фотона схлопнулась — благодаря нечетко определенному процессу под названием измерение. Вот и все.

Кроме того, существуют другие интерпретации эксперимента с двойной щелью. Взять, например, теорию де Бройля-Бома, в которой говорится, что реальность — это и волна, и частица.

Фотон направляется к двойной щели с определенным положением в любой момент и проходит через одну щель или другую; следовательно,  у каждого фотона есть траектория.

Она проходит через пилотную волну, которая проникает через обе щели, интерферирует и затем направляет фотон в место конструктивной интерференции.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из Колледжа Брикбек в Лондоне смоделировали предсказание этой теории о траекториях частиц, которые пройдут через двойную щель.

За последние десять лет экспериментаторы подтвердили, что такие траектории существуют, хоть и использовали спорную методику так называемых слабых измерений.

Несмотря на спорность, эксперименты показали, что теория де Бройля-Бома все еще в состоянии объяснить поведение квантового мира.

Что более важно, этой теории не нужны наблюдатели, или измерения, или нематериальное сознание.

Как не нужны и так называемым теориям коллапса, из которых следует, что волновые функции схлопываются случайным образом: чем больше число частиц в квантовой системе, тем вероятнее коллапс. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта из Венского университета в Австрии проверяли эти теории, посылая все большие и большие молекулы через двойную щель.

Теории коллапса предсказывают, что когда частицы материи становятся массивнее определенного порога, они больше не могут оставаться в квантовой суперпозиции и проходить через обе щели одновременно, и это уничтожает картину интерференции. Команда Арндта отправила молекулу из 800 атомов через двойную щель и все равно увидела интерференцию. Поиск порога продолжается.

У Роджера Пенроуза была собственная версия теории коллапса, в которой чем выше масса объекта в суперпозиции, тем быстрее он коллапсирует до одного состояния или другого из-за гравитационных нестабильностей.

И снова, эта теория не требует наблюдателя и какого-либо сознания. Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проверяет идею Пенроуза с помощью одной из версий эксперимента с двойной щелью.

Концептуально идея заключается в том, чтобы не просто поместить фотон в суперпозицию прохождения через две щели одновременно, но и поставить одну из щелей в суперпозицию и заставить находиться в двух местах одновременно.

По мнению Пенроуза, замещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо коллапсирует с фотоном на лету, что приведет к разным картинам интерференции. Этот коллапс будет зависеть от массы щелей.

Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет и, возможно, вскоре подтвердит или опровергнет заявления Пенроуза.

В любом случае, эти эксперименты показывают, что мы пока не можем делать никаких утверждений о природе реальности, даже если эти заявления хорошо подкреплены математически или философски.

И учитывая то, что нейробиологи и философы разума не могут договориться о природе сознания, утверждение, что оно приводит к коллапсу волновых функций, будет преждевременным в лучшем случае и ошибочным — в худшем.

Источник: https://nlo-mir.ru/chudesa-nauki/kvantovaja-teorija-na-samom-dele.html

Корреляционная функция в квантовой теории поля — лекции на ПостНауке

Квантовая теория частиц

ВИДЕО Квантовая теория поля — это теория взаимодействующих элементарных частиц.

Или можно сказать по-другому: квантовая теория поля — это математический формализм для описания взаимодействующих элементарных частиц.

Она предполагает, что теория поля проквантована: мы ее рассматриваем в рамках квантовой механики. Но при этом мы в первую очередь описываем элементарные частицы (грубо говоря, маленькие летающие шарики).

Как в рамках теории поля возникают локализованные объекты — частицы? Для этого нам квантовая природа теории пока не нужна. Давайте рассмотрим на классическом уровне и поговорим о механике.

Обычная ньютоновская механика описывает частицы. Любые материальные объекты и, конечно, частицы можно описать. Она оперирует понятием траектории. Просто частицы как материальные точки летят по траекториям.

Основной объект изучения механики Ньютона — это траектория. Это функция x от t — координата как функция времени.

Но кроме частиц в рамках школьного курса физики, в рамках университетского курса физики мы обсуждаем теорию поля.

Поле — это уже более сложная структура. Поле — это физическая величина, которая находится во всех точках пространства. Например, электрическое поле.

Мы можем говорить об электрическом потенциале: у нас есть φ от x и t. В данном случае x — это положение в пространстве, а φ — значение электрического потенциала.

Но мы можем говорить про другие физические величины тоже, про поле температуры и так далее.

Универсальность в квантовой теории поля

Один из хороших примеров поля — электромагнитное.

Есть несколько поляризаций электрического магнитного поля, значит, вместо одной функции φ у нас есть много функций. Может быть, шесть. Но это неважно.

Мы можем говорить про одну функцию φ. И у нас есть уравнения, которые описывают, как это поле эволюционирует во времени.

Как связаны частицы и поля? Сразу приходит в голову словосочетание «корпускулярно-волновой дуализм». Оно по большому счету вышло из обихода. На самом деле нет никакой необходимости обсуждать корпускулярно-волновой дуализм в рамках квантовой теории. В рамках классической теории мы тоже можем обсуждать частицы.

Мы рассматриваем поле φ и в рамках этого поля φ формируем то, что называется волновым пакетом. Поле φ — это конфигурация в физическом пространстве, и если эта конфигурация локализована, то мы можем говорить, что это частица. Обычно, когда пытаются объяснить, как работают волновые пакеты, сразу пишут какие-то формулы.

Но мне хотелось бы обойтись упрощенной, но интуитивно понятной аналогией.

Мы можем сказать, что поле φ живет во всем пространстве, но пространство для простоты будет двумерное, как поверхность стола.

И вместо того, чтобы писать значение поля φ в каждой точке пространства, мы представим пространство дискретным, то есть скажем, что поле φ живет в ячейках. Все пространство будет как большая шахматная доска.

В рамках каждой клетки шахматной доски поле φ будет иметь определенное значение. Для простоты мы можем сказать, что поле φ принимает только два значения: 0 или 1. Тогда возникает что-то вроде шахматной доски: 0 — светлая клеточка, а 1 — черная.

Если мы на эту большую шахматную доску посмотрим сверху с большого расстояния, получится экран компьютера, где есть пиксели, которые подсвечены, а есть темные. Если вы посмотрите издалека, у вас получится экран компьютера или телевизора — в данном случае черно-белый, но это не принципиально, можно сделать его цветным.

Если у нас возник экран, мы понимаем, что на нем можем показывать изображение. Например, можем показать изображение летящей частицы, летящей пули, маленького летящего шарика. Конечно, мы понимаем, что на самом деле ничего не летит.

Просто по экрану перемещается изображение, то есть подсвеченные пиксели. Каждый пиксель сам по себе или каждая клеточка шахматной доски остается на месте. Просто они меняют свой цвет таким образом, что, когда мы смотрим на экран сверху, нам кажется, что что-то летит.

Наша интуиция говорит нам, что на самом деле ничего не летит, это просто игра нашего воображения.

На самом деле теория поля буквально так и работает. Она описывает перемещение локализованных объектов, которые я сейчас называю волновыми пакетами, а через минуту — элементарными частицами. Теория поля описывает локализованные объекты в терминах перемещающегося изображения.

Единственная разница между элементарными частицами и волновыми пакетами — будем ли мы считать такое изображение, сделанное из пикселей, конечного размера или он будет бесконечно малым. Чтобы это изображение было бесконечно малое, нам нужно сделать дискретность экрана бесконечно маленькой.

То есть мы стартуем с телевизора плохого качества, который был сделан в 1960-е годы. Потом покупаем телевизор, который был сделан в 1980-е. Затем доходим до современных экранов, которые имеют такое качество, что человеческий глаз не может различить дискретность экрана.

А в математическом описании квантовой теории поля размер ячейки бесконечно мал.

Абстрактное и конкретное в математике

Получается такая ситуация, что в реальности никаких частиц нет, а есть просто перемещение этих светлых точек по экрану. И это все работает в рамках классической теории.

Что происходит в рамках квантовой теории? В рамках квантовой теории нам надо все те математические структуры, которые возникали в рамках классической теории, проквантовать. Что значит проквантовать? Давайте вернемся к классической механике, которая обсуждала движение частиц по траекториям.

У нас есть функция x от t. Квантовая теория предполагает (в данном случае под квантовой теорией я имею в виду квантовую механику), что вместо функции x от t мы будем рассматривать оператор x от t.

То есть x для каждого момента времени t — это уже не число, не значение функции, а оператор. Что такое оператор? Оператор — это просто матрица, таблица чисел. В рамках квантовой механики этот оператор должен быть бесконечно мерным. Должна быть бесконечная матрица.

Но для простоты понимания мы можем ограничиться конечной матрицей, например пять на пять. Это эрмитова матрица, то есть симметричная матрица, и ее можно диагонализировать. Давайте представим, что x от t для каждого момента t — это просто диагональная матрица.

Это значит, что на диагонали есть ряд чисел.

Процесс квантования свелся к тому, что вместо одного числа x от t теперь есть набор чисел. Каждому моменту t соответствует некий набор чисел.

Что это за числа? Если раньше у нас была интерпретация в терминах положения частицы и x от t — это положение частицы в момент t, то в рамках квантовой механики нет понятия положения частицы в данный момент времени. Квантовая механика оперирует вероятностными процессами.

Она предсказывает, что в данный момент времени частица может быть в разных частях пространства с разной вероятностью. Числа на диагонали, о которых мы говорили, — это возможное положение данной частицы в данный момент времени.

В рамках квантовой механики таких положений может быть бесконечно много, потому что частица может находиться в любой точке пространства, но с разной вероятностью.

Но если мы хотим обсуждать положение частицы в данный момент времени и положение частицы в любой другой момент времени, то возникает уже две матрицы. Эти две матрицы не коммутируют. Их нельзя диагонализировать в одно и то же время.

В то время как одна матрица будет диагональная, другая будет недиагональная. Процесс квантования в этом и заключается: функцию x от t заменили на матрицу.

Если мы хотим обсудить квантовую теорию поля, давайте вернемся к полю φ, которое живет во всех точках пространства. Поле φ — это яркость экрана. Поле φ живет в каждой точке пространства и говорит, как ярко горит пиксель в данной точке пространства.

И если раньше поля φ были числом в каждой точке пространства, то теперь нам надо заменить его на матрицу. Каждый пиксель имеет вероятность гореть с разной интенсивностью. В итоге получается сложная математическая структура.

Есть пространство, и в каждой точке пространства живет бесконечная матрица, и эти матрицы между собой не коммутируют, то есть их нельзя диагонализировать.

Квантовая теория поля — это просто теория бесконечных матриц, которые живут в каждой точке пространства-времени. С одной стороны, все, задача решена, мы уже понимаем, что такое квантовая теория поля. Но с другой стороны, это очень сложный математический объект, что-либо посчитать или предсказать с помощью такого формализма достаточно сложно.

Обычно мы интересуемся процессами взаимодействия элементарных частиц. Например, мы хотим родить две частицы, потом они провзаимодействуют и улетят в пространство под какими-то углами.

Для того чтобы посчитать вероятность взаимодействия частиц определенным образом, нам надо посчитать корреляционную функцию. Она зависит от точек. Например, для простоты возьмем четыре, хотя можем взять сколько угодно точек пространства.

Зафиксируем время, то есть фиксируем точки на нашем экране. В каждой точке на экране или в каждой точке нашего пространства живут бесконечные матрицы. Их можно перемножить.

У получившейся матрицы мы возьмем трейс (след) или посмотрим на элемент, который живет в левом верхнем углу — это не так принципиально. Возьмем одно число из получившейся матрицы, и это будет наш ответ.

Корреляционная функция — это обычная функция, которая зависит от положений в реальном пространстве. Казалось бы, это очень простой с математической точки зрения объект. В качестве аргументов вы задаете несколько точек пространства и этим точкам противопоставляете число. Это обычная функция, корреляционная функция.

Но поскольку эта функция — результат перемножения бесконечных матриц, посчитать ее очень сложно. Физический смысл этой корреляционной функции связан с вероятностью взаимодействия элементарных частиц определенным образом. Чем больше вы взяли исходных точек пространства в качестве параметров, тем больше элементарных частиц взаимодействует в системе.

Задача нахождения корреляционной функции — это и есть основной вопрос квантовой теории поля.

Нет рецепта, как считать корреляционную функцию в общем виде. Есть большое количество разных квантовых теорий поля.

Для каких-то мы знаем ответ, для каких-то у нас есть методы, которые позволяют посчитать ответ с хорошей точностью, однако не бесконечно точно, но с очень хорошей точностью, так что мы можем предсказать результаты эксперимента.

А для многих квантовых теорий поля отсутствуют методы, которые позволяли бы посчитать корреляционную функцию. Один из открытых вопросов — это вопрос развития методов подсчета корреляционных функций.

Источник: https://postnauka.ru/video/83864

Чудеса в масштабе. Как физики планируют определить границы квантовой механики

Квантовая теория частиц

Коротко:

— что такое квантовая суперпозиция и почему это важно

— кто решился объединить квантовую механику и классическую физику

— какую пользу могут принести людям необычные состояния элементарных частиц

Ученые готовят устройство, которое позволит определить, при каких условиях происходит коллапс квантового состояния объекта. Эксперимент может открыть новую эру в исследованиях квантовой механики.

Ч то может находиться в двух состояниях одновременно, кроме Олега Винника, который дает по 10 концертов за день в пределах Житомирской области? Правильно, квантовые частицы в состоянии суперпозиции.

В отличие от Винника, состояние суперпозиции частиц нарушается, когда в квантовой системе появляется наблюдатель. Но это не мешает ученым исследовать одно из самых загадочных явлений в квантовой механике, и постепенно выводить его на все большие масштабы.

НВ уже не раз писало о проблеме кота Шредингера и том, насколько важна суперпозиция для разработки квантовых компьютеров. Да, достичь этого состояния можно исключительно на мельчайшем уровне, который недоступен человеческому глазу, и ученые пока только пытаются понять, как управлять необычными свойствами элементарных частиц.

В перспективе, мы сможем использовать квантовую суперпозицию для хранения и обработки информации на совершенно новом уровне, не говоря уже об изменениях, которые могут произойти в нашем понимании классической физики.

Приблизить этот момент пытаются исследователи проекта TEQ (Testing the large-scale limit of quantum mechanics): международная группа ученых под руководством физиков из Университетского колледжа Лондона работает над устройством, которое позволит узнать, почему нарушается суперпозиция элементарных частиц, и где находится граница между квантовым миром и миром с привычными нам законами физики.

Что планируют сделать ученые?

Исследователи из TEQ, куда входят несколько европейских университетов, работают над устройством, которое позволит поэкспериментировать с квантовым состоянием частиц кварца. Об этом пишет журнал Smithsonian. Сообщается, что эксперимент проведут все еще над очень мелкими частицами, но они будут больше, чем любые объекты, которые когда-либо использовали в подобных исследованиях до этого.

цель эксперимента — определить, насколько большими могут быть объекты, которые проявляют квантовые свойства. Иными словами, ученые должны будут провести границу между миром квантовой физики, который во многом описал датский теоретик Нильс Бор, и более привычным для нас макромиром, где действую законы общей теории относительности австрийца Альберта Эйнштейна.

Дело в том, что кроме расхождений в объяснении физики между Эйнштейном и Бором, в квантовой механике также есть теории, которые противоречат друг другу.

В частности, согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, одним из авторов которой был тот же Бор, квантовое состояние объекта (в этом случае — корпускулярно-волновой дуализм) нарушается, когда он взаимодействует с атомами измерительного прибора.

Проще говоря, наблюдатель останавливает суперпозицию, хлопая по руке одной из двух сторон монеты, которая постоянно вращается в воздухе. Самый яркий пример наблюдателя — открытие коробки с котом Шредингера, после чего мы можем узнать, жив кот или мертв, ведь до этого воображаемое животное находится в состоянии неопределенности т. е. суперпозиции.

Неполнота Копенгагенской интерпретации проявляется в том, что ее авторы не смогли объяснить, что именно можно назвать процессом измерения и как конкретно наблюдатель нарушает квантовую систему. Из-за этих расхождений Эйнштейн сказал свою известную фразу о том, что «Бог не играет в кости», на что Бор якобы ему ответил: «Не указывайте Богу, что ему делать».

Восполнить этот пробел в теории Бора в середине 1980-х попытались итальянские физики Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебер, которые описали свою теорию объективного коллапса волновой функции. Теорию назвали ГРВ, в честь самих ученых.

Согласно ГРВ, суперпозиция квантового объекта нарушается спонтанно, и факт измерения здесь не играет никакой роли. Ученые предположили, что вероятность коллапса суперпозиции будет увеличиваться при переходе к макроскопическим системам. То есть, чем больше объект — тем более вероятно, что он будет находиться в суперпозиции очень короткое время, и сразу же перейдет к однозначному состоянию.

Вот почему люди и другие большие объекты (кроме Винника, конечно) находятся только в одном состоянии в любое время, а элементарные частицы могут проявлять описанную выше суперпозицию. Проверить теорию ГРВ как раз и собираются ученые из TEQ, измеряя коллапс волновой функции в, как они это называют, «макроскопическом экспериментальном устройстве».

«Если физики смогут измерить этот коллапс в действии — это означает, что модель верна. Можно сказать, что на этом моменте заканчивается квантовая механика и начнется классическая механика. Это было бы потрясающе», — говорит один из исследователей TEQ физик из Университетского колледжа Лондона Питер Баркер.

Суть эксперимента в следующем: ученые планируют подвергнуть действию электрического поля нанометровую частичку кварца (размером примерно в 1000 раз меньше человеческого волоса) в холодном замкнутом пространстве. Из-за этого колебания атомов объекта должны приблизиться к нулю, проявляя квантовые свойства.

После этого частичку кварца атакуют лазерным пучком, и рассеивание света должно засечь движение или спокойное состояние диоксида кремния, из которого состоит кварц.

Если движение объекта подтвердят — теория ГРВ будет доказана, и ученые смогут определить, на каком именно этапе происходит коллапс волновой функции квантовой частицы.

Если же физики не увидят подобных сигналов — эксперимент все равно предоставит важные данные о квантовой природе элементарных частиц.

Наиболее сложным в этом эксперименте будет изолирование объекта от внешнего физического воздействия — фоновых шумов, которые ученые могут по ошибке принять за квантовые движения. Эксперимент планируют провести в течение следующего года в Университете Саутгемптона в Великобритании.

В любом из исходов исследования ученые смогут отдалить квантовую механику от ее многочисленных «многомировых интерпретаций», и приблизиться к реальному пониманию того, что происходит с объектами на этом уровне.

И там и тут

Ученые из TEQ — далеко не первые, кто захотел наочно проверить состояние суперпозиции некоторых объектов в небывалом ранее масштабе. Если быть точным, первый подобный эксперимент провели еще в начале XIX столетия: тогда английский ученый Томас Юнг доказал, что фотоны — мельчайшие частицы света — проявляют свойства волны.

Опыт Юнга заключался в том, что через барьер с двумя щелями пропускали фотоны, после чего на экране за барьером образовывался интерференционный узор — изображение, которое характерно для волн, когда их пропускают сквозь те же две щели и они постепенно гасят друг друга.

Уже в начале прошлого века американские физики Клинтон Дэвидсон и Лестер Джермер повторили эксперимент Юнга с электронами — составляющими атомов.

Как оказалось, простейшие частицы не только света, но и любой другой материи также проявляют свойства частиц и волн одновременно.

Уже современные физики, включая исследователей из TEQ, начали гадать, что и как именно нарушает волновую функцию элементарных частиц.

В поисках ответа на этот вопрос буквально несколько месяцев назад представители Венского университета в Австрии и Базельского университета в Швейцарии повторили опыт Юнга с объектом, размеры которого значительно превышают все, над чем проводили подобные эксперименты до этого.

Ученые достигли квантовой суперпозиции молекулы, которая состоит из 2000 атомов. Эта молекула называется «олиготетрафенилпорфирин, обогащенный фторалкилсульфанильными цепями».

Физики из Австрии и Швейцарии достигли квантового состояния этого объекта с помощью специально разработанного интерферометра, который, как и в опыте Юнга, выстреливал потоком таких молекул через барьер с несколькими щелями.

Правда, наблюдать волновой эффект у такой большой молекулы гораздо сложнее, поскольку чем тяжелее объект — тем короче у него волны для образования интерференционного узора. К сравнению, состоящая из 2000 атомов подопытная молекула весила в 25 тыс. раз больше одного атома водорода.

Как и в случае с грядущим экспериментом TEQ, ученым пришлось исключить все внешние факторы, по типу гравитационного воздействия Земли, которые могли бы повлиять на точность эксперимента. В итоге луч из огромных молекулы позволил детекторам засечь интерференционный узор и эксперимент доказал, что квантовые свойства материи могут проявляться даже в таких масштабах.

«Наши результаты показывают отличное согласование с квантовой теорией и не могут быть объяснены классической физикой. Границы интерференции достигают более 90% ожидаемой видимости, и конечное значение макроскопичности в 14,1 представляет увеличение на порядок по сравнению с предыдущими экспериментами», — писали авторы исследования.

Почему квантовая суперпозиция так важна?

Квантовая суперпозиция представляет огромный интерес не только с точки зрения теоретической физики, но и для вполне прикладных целей, — создания квантовых компьютеров.

Нахождение элементарных частиц в двух состояниях одновременно лежит в основе работы квантовых процессоров, над которыми сейчас работают в Google и IBM. Изобретение такого вещества, которое могло бы долгое время находиться в состоянии квантовой суперпозиции позволило бы ученым произвести вычисления, невозможные для классических компьютеров.

Если в привычных нам вычислительных машинах в качестве минимальной единицы информации используются биты, которые могут иметь только одно значение (состояние) — 0 или 1, квантовые компьютеры будут оперировать абсолютно новым типом информации — кубитами.

Одно из двух значений битов обеспечивают транзисторы — привычные нам полупроводники, которые используют во всех современных гаджетах. Вместо этого, в квантовых компьютерах используют сверхпроводящие материалы, которые могут поддерживать суперпозицию кубита, находящегося в буквальном смысле в двух состояниях одновременно. То есть, представляя сразу и 0 и 1.

Именно это свойство кубитов позволит нам обрабатывать гораздо большее количество информации. Кроме этого, математическое преимущество кубитов перед битами в том, что при добавлении одной единицы они удваивают мощность всей микросхемы, а добавление одного бита к другому все равно требует колоссальных объемов транзисторов и микросхем для решения сложных задач.

Ранее эксперты подсчитали, что создание квантового компьютера мощностью в 300 кубитов будет соответствовать классическому компьютеру с количеством битов, равным количеству атомов во Вселенной, — примерно 91-значное число.

проблема квантовых компьютеров заключается в нестабильности сверхпроводящих материалов, которые могут переходить в квантовое состояние лишь на некоторое время. Поэтому все вычисления действующих квантовых компьютеров носят лишь технический характер и не представляют особой ценности для науки.

Сейчас ученые только пытаются найти способ объединения физических и химических свойств сверхпроводников, которые могут поддерживать квантовое состояние только при очень низких температурах, с процессорами обычных компьютеров, которые работают в приемлемых для нас условиях. Без этого, вычисления, которые выполнит квантовая система будут бесполезными, поскольку мы просто не сможем их обработать.

Как уже писало НВ, физики работают над созданием квантового компьютера чуть более 30 лет, и первое рабочее устройство такого типа должно произвести революцию абсолютно во всех сферах жизни.

Предполагается, что первой сферой применения квантовых компьютеров станет химия: создав алгоритм, который позволит анализировать бесконечное количество разных веществ и их свойств, машина поможет ученым разработать самые прочные, легкие, безопасные и эффективные материалы.

Однако, кроме гипотетических достижений в медицине, машиностроении, производстве гаджетов и т. д.

, квантовые компьютеры также могут стать опасным инструментом: один из квантовых заговоров предполагает, что первое правительство, в руки которого попадет рабочий квантовый компьютер, сможет взломать любые технологии шифрования и получить доступ к электронным системам безопасности всех стран мира.

Согласно документам, которые опубликовал бывший сотрудник ЦРУ Эдвард Сноуден, Национальное агентство безопасности США еще в 2013-м выделило около $80 млн на создание квантового компьютера, который сможет обойти большинство типов цифровой защиты.

Источник: https://nv.ua/techno/popscience/kvantovaya-mehanika-uchenye-proanaliziruyut-neobychnye-svoystva-chastic-kvarca-50068714.html

Квантовая теория частиц

Квантовая теория частиц

Определение 1

Квантовая теория частиц является комплексом методов теоретического формата, задействованных в физике в целях описания процессов квантовомеханических систем, которые построены из более чем двух частиц.

В качестве основы существующих методов квантовой теории частиц может выступать теория возмущений. Она может быть применима в ситуациях незначительного взаимодействия потенциальной энергии частиц.

Условия такой незначительности будут актуальными в отношении двух частиц, чье взаимодействие осуществляется за счет присутствия потенциала с конечным радиусом воздействия, а сама незначительность заключается в малом влиянии амплитуды рассеяния, сравнительно с ним.

В ряде случаев, в целях достижения конечного результата, может потребоваться бесконечная последовательность максимально расходящихся показателей ряда. В качестве характерных примеров в таких ситуациях выступают:

  • вычисление термодинамических функций системы заряженных частиц, где для получения конечного результата необходимо учитывать экранировку потенциала каждой из частиц остальными частицами;
  • вычисление энергии основного состояния бозе-газа, в котором отличное от нуля значение энергии возникает только при учёте взаимодействия. В обоих случаях разложение термодинамических функций системы содержит дробные степени потенциала взаимодействия.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

Своеобразной может считаться ситуация с поведением сверхпроводников, выраженным в демонстрации термодинамическими функциями их челнов содержания малого по своему потенциалу взаимодействия количества так называемого «электронного газа».

Подобные члены обладают свойством исчезновения в произвольном порядке в теории возмущений, однако связь сверхпроводящего фазового перехода относится именно к ним.

Диаграммная техника в квантовой теории частиц

Диаграммная техника в квантовой теории частиц считается самой усовершенствованной формой в теории возмущений. Наиболее часто она применима в области вычислений функции Грина, чьи полисы являются определяющими в энергии квазичастиц.

В диаграммной технике изображение каждого члена ряда в теории возмущений наблюдается в форме комплексного сочетания ряда диаграмм Фейнмана, при аналитических записях присутствуют стандартные правила.

Свою особую эффективность подобная техника демонстрирует в отношении указанного выше суммирования самых расходящихся членов ряда в рассматриваемой теории. Разнообразие диаграмм, присутствующих в одинаковом порядке в теории возмущений, может свидетельствовать о существовании различных физических смыслов и обладании ими различными показателями расходимости.

Тогда суммирование расходимостей в подобной ситуации будет сведено к обладающему наглядным физическим смыслом определению значимых графических последовательностей диаграмм. Среди важнейших преимуществ диаграммной техники выделяются:

  • возможность получить корректную оценку отброшенных членов;
  • возможность определения условий для применения полученных приближений.

Замечание 2

Физики делают акцент на существовании некоторых возможностей по вычислению функций Грина, исключающих применение теории возмущений. В теории наблюдается присутствие максимально точных соотношений, выражающих функции Грина из более низкого порядка благодаря технике задействования более высокого порядка.

Такой подход позволяет приблизить метод функции Грина к цепным взаимосвязям квантовых функций распределения. Большие возможности открываются при записи функций Грина в форме функционального бесконечного интеграла, приблизительное вычисление которого нуждается в методах, принципиально отличных от теории возмущений (метод перевала).

В такой ситуации, когда не выполняется условие задействования теории возмущений касательно взаимодействия парных частиц, но при этом наблюдается очень низкое значение амплитуды рассеяния двух частиц, в отличие от межчастичного расстояния, можно прибегнуть к вириальному разложению.

Физические величины, которые выступают характеристикой системы, формируются в формате специального ряда по степени плотности ряда чисел частиц. При этом наблюдается соответствие последовательных членов ряда ситуации с взаимодействием пар, что выражено в определенных амплитудах.

Уравнение Томаса Ферми в квантовой теории частиц

Замкнутое уравнение Томаса-Ферми может считаться применимым исключительно в ситуации, когда в процессе постановки многочастичных задач не удается выявить малый параметр, обычно применяемый для поиска приближенного решения. Здесь важная миссия принадлежит вариационным методам, базирующимся на минимальном значении показателя средней энергии системы, вычисляемого в отношении определенной нормированной волновой функции.

Аналогичная ситуация наблюдается в отношении волновой функции первичного возбужденного состояния с присутствием минимального показателя энергии. Простейший вариант непосредственного задействования вышеуказанного метода может выражаться в оптимальном подборе функции, соответствующей общим требованиям, которая будет зависимой от ряда важных параметров.

Минимизация энергии по таким параметрам может предоставить максимально точные результаты, которые в особенности будут касаться системы из незначительного числа частиц, а точность при этом будет зависеть от успешного подбора разновидности «пробной» функции, максимально близкого к формату действительной волновой.

Достижение значительных успехов наблюдается в ходе исследования металлов и их электронных свойств. Максимальный интерес физиков вызывают расчеты специальных энергетических спектров электронов из зоны проводимости, где важнейшую роль играет метод псевдопотенциала. В таком методе происходит приравнивание волновых функций электронов заполненных зон поведению свободных ионов.

Итогом этого становится сведение задачи к уравнению, подобному формуле Шрёдингера, потенциал заменяет линейная комбинация его более стандартного самосогласованного типа. Речь идет о псевдопотенциале, малость которого, в частности, позволила прокомментировать известную эмпирическую близость исследуемых свойств электронов в металлах в отношении невзаимодействующих электронов.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/kvantovaya_teoriya_chastic/

Booksm
Добавить комментарий