От телепортации до путешествий во времени: все, что нужно знать о квантовой механике
О теории струн, квантовой запутанности, телепортации и многом другом.
Квантовая механика охватывает впечатляющий набор физических законов и теорий, которые исследуют такие вопросы, как состав Вселенной и возможность путешествий во времени, а также все, что между ними. И все, что внутри. И вокруг. И даже то, что мы не видим. О чем мы знаем и о чем не знаем.
Хорошая новость состоит в том, что в этом мы не одиноки. Еще никому не удалось раскрыть все тайны Вселенной. Поэтому мы предлагаем вам отправиться в путешествие через пространство-время, чтобы узнать несколько фактов из квантовой механики.
Давайте начнем с начала (или с конца, в зависимости от вашей точки зрения)
skeeze / Pixabay
Что же такое квантовая механика? Прежде всего это раздел физики, который попадает под изучение всего, что связано с нашим естественным миром, включая пространство, время и материю.
Квантовая механика конкретно занимается физикой элементарных частиц, стремясь понять движение и взаимодействие между строительными блоками, составляющими нашу Вселенную. Квантовую механику порой называют «наукой о малом» – в противоположность общей теории относительности, известной как «наука о большом».
Что еще стоит знать о квантовой механике, так это то, что она включает в себя некоторые странные концепции – квантовую суперпозицию (или пребывание в более чем одном месте одновременно), теорию струн, множественность вселенных («мультивселенная»), дополнительные измерения и целую галактику других теорий, которые могут вызвать экзистенциальный кризис вокруг того, что реально, и что все это значит.
Опыт Томаса Юнга поражает воображение с 1801 года
Невозможно говорить о квантовой механике, не обсуждая двухщелевого опыта Юнга. Эксперимент можно легко воссоздать самостоятельно: просто сделайте две прорези на листе бумаги, посветите через них фонариком и понаблюдайте за созданными линейными узорами. Вы спросите: «И что я должен понять?».
Видео выше объясняет закономерность лучше тысячи слов. По сути, опыт Юнга показывает, что фотоны света ведут себя и как частица, и как волна. Это свойство получило название «корпускулярно-волновой дуализм».
Это первое наблюдение двойственности частиц произошло задолго до того, как квантовая механика сформировалась как наука, и способствовало появлению первой фотографии света как в его частицах, так и в волновых состояниях.
Кот Шрёдингера
futurism.com
После 135 лет, в течение которых ученые пытались понять последствия эксперимента Юнга, австрийский физик Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент, который еще больше запутал всех и вся. Но все же стал одним из известных строительных блоков теории квантовой суперпозиции.
1Gai.Ru / wuthrich.net / Gett Images
Конечно, кошек ученый не убивал. Вместо этого Шредингер представил научному сообществу следующую гимнастику для ума: если кот застрял в коробке с радиоактивным веществом (количество которого так мало, что лишь один атом может распасться, а может и не распасться), то лишь при наблюдении (то есть когда вы откроете коробку) вы сможете определить, жив кот или мертв.
gfycat
То есть до момента вскрытия коробки верны обе возможности – получается, кот и жив, и мертв одновременно. Представив себе эту причудливую кошачью пытку, Шредингер надеялся понять, когда частицы выходят из состояния квантовой суперпозиции, чтобы стать чем-то конкретным.
Суперпозиция, или «Пребывание в двух местах одновременно»
1Gai.ru / YouTube
Эксперимент Юнга, кот Шредингера и устройство USB-накопителей помогают понять концепцию под названием «квантовая суперпозиция». На высоком уровне квантовая суперпозиция говорит, что предмет может существовать во всех возможных состояниях до момента его наблюдения.
1Gai.Ru
Свет – это и частица, и волна, кот в коробке одновременно жив и мертв, а USB-накопитель одновременно находится в позиции вверх и вниз. Только когда мы что-то видим, это «фиксирует» состояние бытия.
Это заставляет нас без перерыва смотреть сериалы Netflix на компьютере, который экспоненциально мощнее всего, что мы знаем сегодня, благодаря небольшому проекту под названием «квантовые вычисления».
Квантовые вычисления, которые будут сбивать с толку дедушек и бабушек будущего
antgirl / flickr
Нет, квантовые вычисления не подразумевают использование крошечных компьютеров. Так называется новый подход к вычислительной мощности, в котором используются такие принципы, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность (об этом подробнее позже). Результат?
Мощный компьютер, размещенный в в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, будет использован для изучения того, как и могут ли квантовые эффекты ускорить решение сложных задач оптимизации, машинного обучения и выборки. (Фото инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби, США)
Возможность обрабатывать данные со скоростью, превышающей возможности классических компьютеров, и с бесконечным количеством приложений. Самый продвинутый квантовый компьютер в мире в настоящее время находится в Центре квантовых вычислений USC-Lockheed Martin, и, как и все ранние версии новых компьютеров, он до смешного огромен.
Ешь, молись, разбирайся в квантовой запутанности
cszar / flickr
Пожалуй, квантовая запутанность – это самая милая история любви в науке. Это измеримое явление показывает нам, что частицы могут быть связаны друг с другом независимо от физического расстояния. Допустим, есть две связанные частицы: одна – в Антарктиде, а другая – на Гавайях. Если вы измерите частицу на Гавайях, частица в Антарктиде среагирует на измерение.
Еще одно свойство квантовой запутанности – это своего рода отображение «притяжения противоположностей», при котором физические свойства (спин, положение и т. д.) связанных частиц всегда будут противоположными. Наконец, измерение одной частицы влияет на другую, и в этот момент все это складывается в долгожданный прорыв в уме каждого – в телепортацию.
Что по телепортации?
NASA / JPL-Caltech
Поправка – квантовой телепортации! Пожалуй, самая желанная сверхспособность – телепортация – реальна. И все это благодаря квантовой запутанности. Как это работает? По сути, вы создаете два запутанных фотона и отправляете один из них на определенное расстояние через определенную среду (скажем, через 102 км оптического волокна).
Благодаря их запутанным состояниям вы можете определить, когда они будут находиться в противоположных состояниях, «фактически «телепортируя» злого близнеца фотона».
Но не спешите радоваться: если ученым удалось «взломать» оптоволоконную телепортацию информации, закодированной в свете, то пока с телепортацией материи все не так радужно. В ближайшее время вы точно не сможете повторить опыт Майка из фильма «Чарли и шоколадная фабрика», но дайте ученым шанс.
«Чтобы собрать миллион частей вместе, требуется много времени». И миллион – это именно столько, сколько еще предстоит изучить, учитывая научный разрыв между оптоволоконной телепортацией и телепортацией материи.
В поисках единой теории поля
Кеннет-Снайдер / flickr
Квантовая механика – сама по себе достаточно запутанная концепция. Но еще запутаннее ее делает мета-слой парадоксов: наука о вещах малых масштабов не работает вместе с наукой о вещах больших масштабов.
По отдельности обе теории могут многое объяснить, но только не в противопоставлении друг другу (как это происходит сейчас). Стремление к объединению всех теорий (также известное как «единая теория поля», или «теория всего») ставило ученых в тупик на протяжении поколений – справиться с этим не смог даже Эйнштейн.
Теория струн, или «Там, где начинается странное»
gfycat.com
Сперва короткая и странная хронологическая ремарка: до 1960-х годов практически все были согласны с тем, что самые маленькие из самых маленьких строительных блоков, на которые мы до сих пор разделили Вселенную, – субатомные частицы – представляли собой... частицы. Но что такое частица? И почему ее открытие не объяснило такие вещи, как темная материя?
Работа ученого Джеффри Чу побудила его современников мыслить шире, чтобы рассмотреть другие конструкции, выходящие за рамки частицы. Это исследование в итоге переросло в теорию струн (как это обычно преподносится сегодня).
По сути, теория струн предполагает, что все состоит из одномерных вибрирующих объектов. От того, как ведут себя эти струны, зависит все – от силы тяжести до крошек батончика Кит Кат. И все же самый странный вывод заключается в следующем: если теория струн верна, то должны существовать дополнительные измерения. По крайней мере штук 26.
Наконец-то поговорим о параллельных вселенных
Теперь, когда мы рассмотрели измеримые явления, давайте поговорим о еще не измеримых, но совершенно потрясающих вещах – параллельных вселенных! Теория дочерней вселенной, основанная на вероятностях, а не на определенных фактах, предполагает, что для каждого возможного результата, любого возможного решения создается своя вселенная.
Простыми словами, в другой вселенной Брэд Питт и Анджелина Джоли все еще вместе, а кинолента «Спасти рядового Райана» выиграла «Оскар» в номинации «Лучший фильм».
Только не пугайтесь, если, попав в параллельную вселенную, вы будете завтракать недалеко от вашей собственной могилы.
И о путешествиях во времени
comicon.com
Кроме того, что путешествия во времени легли в основу одного из самых популярных эпизодов «Звездного пути: Вояджер», они делают нас моложе. Временные перемещения – одно из увлекательных последствий квантовой механики, заставляющее людей говорить что-то вроде: «Я бы переместился в прошлое и убедил бы Гитлера и дальше заниматься искусством #мотивация #никогданесдавайся».
Ученые успешно смоделировали отправку частиц назад во времени, но эта симуляция все еще далека от реальности, а телепортация вещей в будущее по-прежнему остается мутным делом. И это без учета всех парадоксов.
Но в любом случае, возможно, вся наша жизнь – это компьютерная симуляция
Warner Bros.
Теория, которая столь же утешительная в плохой день, как и ужасающая в хороший, – все мы можем просто жить в компьютерной симуляции. Гипотеза моделирования предполагает, что наша реальность – это достижение квантовых вычислений.
К сожалению, Морфеус еще не появился, чтобы рассказать нам об этом, поэтому нам просто придется довериться ученым, которые изучают эту теорию (пока мы слоняемся по клубам и ищем девушек с татуировками белого кролика). А до тех пор лучше держаться подальше от Хьюго Уивинга.
Обложка: Eros International
