Почему квантовый мир живёт по другим законам, нежели привычная нам реальность и как эти странные на первый взгляд эффекты уже сегодня становятся основой новых технологий? Что такое корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределённости и квантовая запутанность? И почему они важны не только для теоретической физики, но и для будущего прикладной науки, объясняет профессор кафедры радиотехники и электродинамики СГУ М.В. Давидович.
Волна или частица? И то и другое
Квантовая теория лежит в основе мироздания. Именно она описывает существование атомов, молекул и вещества в том виде, в котором мы его ощущаем. Однако микромир, подчиняющийся квантовым законам, существенно отличается от макромира повседневного опыта.
Один из ключевых принципов квантовой физики – корпускулярно-волновой дуализм. В 1923 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что волновыми свойствами обладают не только фотоны, но и любые частицы материи – от электронов до атомов и молекул.
Волна – особый объект: она может быть пространственно не ограниченной, иметь частоту и длину. Длина волны де Бройля определяется простой формулой – это отношение постоянной Планка к импульсу частицы. Чем больше импульс, тем меньше длина волны.
Именно поэтому гамма-кванты ведут себя скорее как частицы, а радиоволны – как волны. Наш стол, за которым мы сидим, тоже формально обладает длиной волны де Бройля, но она настолько мала, что экспериментально недоступна. Стол не может одновременно находиться в двух комнатах – не потому, что квантовые законы для него не действуют, а потому, что их эффекты исчезающе малы.
Экспериментальные подтверждения квантовой природы материи
Идеи де Бройля легли в основу квантовой механики, сформулированной Эрвином Шрёдингером в 1926 году. В этой теории частицы описываются не траекториями, а волновой функцией.
Экспериментально подтвердить дифракцию макроскопических объектов невозможно, однако для сложных молекул это уже сделано. Так, наблюдалась дифракция фуллеренов C₆₀, состоящих из 60 атомов углерода. В 2019 году удалось зафиксировать дифракцию молекул массой более 25 000 атомных единиц – почти две тысячи атомов в одной частице.
Это показывает: граница между квантовым и классическим миром не жёсткая, а постепенная.
Принцип неопределённости: фундаментальное свойство природы
Из уравнения Шрёдингера следует один из важнейших постулатов квантовой механики – принцип неопределённости Гейзенберга. Он утверждает, что произведение неопределённости координаты частицы на неопределённость её импульса не может быть равно нулю и ограничено величиной порядка постоянной Планка.
Иначе говоря, если мы точно локализуем частицу, её импульс становится неопределённым. И наоборот: частица с точно заданным импульсом не имеет определённой координаты.
Это не связано с несовершенством приборов. В квантовой механике физические величины описываются операторами, и некоторые из них не коммутируют – результат зависит от порядка действий. Именно это и лежит в основе принципа неопределённости.
Аналогичные соотношения давно известны в оптике: для волновых пакетов ширина спектра связана с их длительностью. Это прямое следствие теоремы Фурье.
Коллапс волновой функции и измерение
Фотон в виде плоской волны существует во всём пространстве, его импульс определён, а координата – нет. Но в момент поглощения атомом фотон локализуется. Это явление называют коллапсом волновой функции.
Реальные атомы поглощают и излучают свет за конечное время, поэтому линии спектра всегда имеют конечную ширину. Чтобы сделать время жизни возбуждённого состояния как можно больше, атомы необходимо охлаждать до сверхнизких температур – ниже одного кельвина.
Именно на таких принципах основана работа кубитов – базовых элементов квантовых компьютеров.
Что такое квантовая запутанность
Если система состоит из нескольких частиц, она описывается одной общей волновой функцией. В ряде случаев эту функцию невозможно разложить на независимые состояния отдельных частиц – возникает квантовая запутанность.
