Парадоксальная реальность квантовой механики

 Публичный пост

Я написал для Постнауки материал про парадоксы квантовой механики. Я старался максимально доступно рассказать про парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, про скрытые переменные, и как неравенства типа Белла позволяют доказать, что их быть не может. А еще про квантовый ластик, как можно "отменить" квантовые измерения и "стереть" их результаты (и можно ли).

Это все сложные концепции, обычно требующие большой базы для понимания. Я подошел к объяснению их иначе, чем обычно делают в других популярных материалах. Для этого не потребуется понимание сложной математики и других заумных квантовых вещей. В общем, получился своего рода эксперимент (для меня).

Буду рад ответить на любые вопросы и рассказать подробнее. Я сам использую квантовую запутанность непосредственно в экспериментах: вот, например, писал про наш эксперимент для гравитационно-волновых детекторов на хабре.

Связанные посты
22 комментария 👇
Евгений Черкасов, Решаю вопросики на стороне фронта 3 января в 22:39

Статья супер. Читается на одном дыхании. Большое спасибо, очень интересная работа!

  Развернуть 1 комментарий

@StipJey, спасибо, рад, что понравилось!:)

  Развернуть 1 комментарий

Кстати, про странности квантовой механики: я как-то рассказывал на хабре про многомировую интерпретацию, которая, на мой взгляд, в настоящий момент наиболее адекватная из существующих (хотя все равно проблемная).

  Развернуть 1 комментарий

Лучшее, что я видел по этой теме.

  Развернуть 1 комментарий

@NikolayLukin, да, Кэрролл главный двигатель ММИ в массы, он очень крутой! У него еще и подкаст Mindscape шикарный.

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, да его я тоже слушаю, когда выдается время, ютубчик у него тоже норм, там недавно был цикл лекций с qa по всем возможным темам

  Развернуть 1 комментарий
Maximus, Электрический инженер 6 января в 22:01

Эх, щаз понаспрашиваю! :)))

М-1. А сколько сейчас существует более или менее используемых моделей атома?

М-2. Электроны мотаются вокруг ядра атома с бешеной скоростью. А есть ли у электрона как таковая поверхность?

М-3. А есть какие-нибудь модели, что вообще происходит около электрона в каждый момент времени на расстоянии, скажем в 2-3 радиуса его условного размера от центра самого электрона?

М-4. Так гравитационные волны — они точно волны или маячит недалеко дуализм, например?.. ;)

М-5. Начиная с каких миниатюрных размеров в сторону дальнейшего уменьшения верность известных нам законов квантовой механики может давать сбои? :)

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus,

  1. Все от уровня кварков и выше описывает Стандартная Модель (теория так называется).
  2. Тут хорошо бы объяснить, что для вас поверхность. С точки зрения современной науки, электрон - фундаментальная элементарная частица, то есть, он не состоит из меньших элементов. Для практических нужд электрон - это вероятностное облако отрицательного заряда, размазанного по пространству, где максимум вероятности "мотается вокруг ядра с бешеной скоростью". Соответственно, от максимума вероятности спадают по закону, который иногда можно рассчитать, соответственно, склон этой функции можно принять за поверхность.
  3. См. пп. 1,2 выше.
  4. Гравитационные волны - это возмущение кривизны пространства, которые математически выглядят как волны. Вообще ГВ - это решение сильно линеаризованных уравнений Эйнштейна, которые связывают распределение энергии и массы в пространстве (тензор энергии-импульса) и кривизну пространства. В принципе, кажется (научному сообществу) логичным, что эти волны должны проявлять квантовый характер, но этого, во-первых, до сих никто не обнаружил, во-вторых, никто не смог предложить адекватную теорию квантовой гравитации.
  5. "Может" - с любых, то есть, может случиться, что завтра мы проснемся в мире, где фундаментальные законы поменялись. Вообще квантовая механика пока оправдывает себя на всех уровнях, где хоть кто-то проводил эксперименты - от ядерных масштабов до галактических.
  Развернуть 1 комментарий

@omnster, @Maximus добавлю еще немного про п.4:

те волны, которые мы наблюдаем - очень-очень мощные относительно предполагаемого одиночного гравитона (кванта гравитации), но очень слабые для наших инструментов. Это как супер мощный лазер: конечно, там где-то есть одиночные фотоны, но их фиг разглядишь. Поэтому, хотя с большой долей вероятности в грав волнах есть кванты-гравитоны, мы никогда их не увидим, скорее всего.

  1. Еще добавлю, что мы в принципе-то и так знаем, что кванты в какой-то момент ломаются - просто потому, что надо включить как-то гравитацию в них.
  Развернуть 1 комментарий
  1. Я все-таки про другое. Вот, есть модель атома Резерфорда - и, собственно, её и использовали раньше в школе для объяснений. (А как сейчас, кстати?). Вот есть упрощенная модель электронных оболочек - её под выпуск упрощенно нам в школе на химии давали. И вот сколько таких разных моделей сейчас широко используются на всех уровнях образовани, науки и техники суммарно?

Так-то, как мне помнится, даже "бозон Хиггса" не привел к полному воцарению Стандартной Модели - но это пока лучшее, что у нас есть. 😁

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus, да вроде все те же: сперва Резерфорд (точнее, Бор), вся атомная физика в универе по сути на нем строится. Потом ядерные оболочки, которых хватает для 99.99% всех рассуждений. А потом - совсем для продвинутых - квантовая теория поля. Я про другие и не знаю

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, [шепотом]

Кажись, я запутался, Миш...

Ломаются кванты или кварки? :/

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko, Да я, просто пытаюсь сейчас глубже закопаться в электричество - и наткнулся на незнание модели, как ведут себя свободные электроны хотя бы в кристаллической решётке основных для "обычной" электротехники металлов.

То есть, да, они как бы описываются моделями идеальных газов...

Но если пойти глубже и учитывать спины, соотношения между размерами протонов и электронов, скорости линейные, волновые распределения и пр. - как они вообще все вместе работают? :)))

А если у нас ещё прилетают фотончики... 😋

  Развернуть 1 комментарий

@MikhailKorobko,
скорость света может уменьшаться в зависимости от среды, может ли уменьшаться скорость гравитационных волн?
и может ли быть такое пространство, что гравитационная волна станет в ней ударной волной?

"на правах фантастики"

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus,

Ломаются кванты или кварки? :/

Я имел в виду квантовую теорию, сорри:)

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus,

Да я, просто пытаюсь сейчас глубже закопаться в электричество - и наткнулся на незнание модели, как ведут себя свободные электроны хотя бы в кристаллической решётке основных для "обычной" электротехники металлов.

Ааа, ну так это физика твердого тела, это с моделями атомов не очень связано. Это прям сложно, да, я не знаю, есть ли простые модели для этого. Так прямо квантовая теория поля вовсю...Даже не знаю, что посоветовать тут кроме универских учебников:(

  Развернуть 1 комментарий

@a2f26,

скорость света может уменьшаться в зависимости от среды, может ли уменьшаться скорость гравитационных волн?

Строго говоря, скорость света всегда постоянна и равна скорости света. Эффективная скорость распространения волны через среду может меняться за счет взаимодействия со средой: скажем, импульс может быть задержан или даже "Остановлен" внутри среды. Но каждый фотон по-отдельности по-прежнему распространяется со скоростью света.

По идее, похожий эффект может возникать и для гравитационных волн: гравитационная волна поглощается и излучается движущимися массами, так что может происходить интерференция. Гравитоны летят со скоростью света, но эффективно средняя скорость уменьшается. На практике взаимодействие с массой так мало, что этот эффект "замедления", скорее всего, пренебрежимо мал. Возможно, в начале Вселенной, когда среда была очень плотной, эффект мог быть сильнее. Но надо еще иметь в виду, что в случае электромагнитных волн этот эффект существенно квантовый. Гравитацонные волны, которые мы наблюдаем - классические. Я не уверен, как квантование гравитации может повлиять на результат.

и может ли быть такое пространство, что гравитационная волна станет в ней ударной волной?

Не очень понятно, что ты имеешь в виду. Ударная волна - волна, распространяющаяся быстрее скорость звука для данной среды. Даже для света это не очень ясно, как может возникать (я погуглил, но нашел только пару старых странных статей). Так что не знаю, что ответить. Интуитивно кажется, что нет.

  Развернуть 1 комментарий
Maximus, Электрический инженер 8 января в 12:16

М-8. Вот что мне интересно как человеку "извне": сторонний читатель может же не понять, что такое измерение (как действие) применительно к квантовой механике. Такое часто случается с новичками в теме? :)

М-9. Кстати, сейчас же в русском языке (как и раньше) "наблюдение" и "измерение" применительно к квантовой механике являются полными и тождественными синонимами - или есть различия в понятийном аппарате?

М-10. [шепотом] А как там с "планковским расстоянием" - оно всё ещё минимально возможное или теория, вакуума уже копает глубже? 😋

М-11. Мне, блин, ещё в детстве у... ГОЛОВАЧЕВА! 😋... в одном из тогда годных романов засела фраза в духе "практически мгновенная постройка сферы Дайсона за счёт одновременного фазавого перехода вакуума в материю" (ну, примерно, не точная цитата, да и в ней масса натяжек:)))

Я к чему: а на данный момент с нашими доступными энергиями мы можем хоть как-то "пнуть" вакуум, чтоб он хоть что-то "сгенерировал" (не частицу, но хоть поле или изменил линии напряжённостей, например) - или это ещё не наш уровень? :)))

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus,
8. Вообще, это очень сложный вопрос, и сами физики не всегда могут разобраться:) Я не писал об этом, т.к. материал выходит как часть большого гида, где есть в том числе материал об измерениях.

  1. Наблюдение и измерение - синонимы. Но тут важно понимать, что присутствие человека-наблюдателя тут не важно: любое взаимодействие определенного типа будет считаться "измерением". Такой вот неудачный термин.

  2. Оно никогда не было минимально возможным😄 это просто некоторое характерное расстояние, у которого нет какой-то особенного физического смысла (разве что квантовая гравитация примерно на этом расстоянии должна работать).

Насколько мы знаем, пространство непрерывно (хотя это гипотеза).

  1. Хмм...сложно сказать, зависит от точки зрения на вакуум. В квантовой теории вакуум состоит из флуктуаций виртуальных частиц. С другой стороны, эти флуктуации вполне влияют на другие физические процессы: например, в гравитационно-волновых детекторах они раскачивают зеркала и мешают наблюдать гравитационные волны.

Мы можем их и наблюдать (а я прямо так этим занимаюсь): мы создаем из вакуума парные запутанные частицы и используем это для улучшения чувствительности всяких детекторов.

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus я бы сказал, что в физике слова «измерение» и «наблюдение» имеют тот же общечеловеческий смысл, что и в остальной части русского языка - экспериментатор может «наблюдать за квантовой системой, выполняя серию измерений спина», скажем, или может «измерить квантовый эффект, пронаблюдав фотон на детекторе», (хотя второе ближе к жаргону) поэтому обычно уточняют, что имеют в виду, если из контекста непонятно. При этом в ортодоксальной квантовой механике по фон Нейману отдельно стоит «измерение» - процедура взаимодействия с классическим измерительным прибором, в результате которого волновая функция измеряемой системы коллапсирует (из множества ветвей суперпозиции оказывается в одной, грубо говоря). Иногда факт осуществления измерения называют наблюдением.

  Развернуть 1 комментарий
Maximus, Электрический инженер 7 января в 12:28

М-6. Я так и не смог накопать: считается ли время отдельным четвёртым измерением нашего пространства(-времени) в современной физике или нет?

М-7. Первая регистрация гравитационных волн была связана с (высокоскоростным) слиянием двух "чёрных дыр". Т.е. по сути фотоны высвобождения энергии и "гравитоны" летят "параллельно". А могут ли они, грубо говоря, образовывать своеобразные пучки волновых колебаний? Не влияет ли "гравитон" на фотон, если они "сближаются" на некоторое малое расстояние?

  Развернуть 1 комментарий

@Maximus,
6. Является, мы живем в четырехмерном пространстве-времени. 3 пространственных измерения + время.

Т.е. по сути фотоны высвобождения энергии и "гравитоны" летят "параллельно".

Нет, никаких фотонов при этом не высвобождается. Гравитационные волны сами несут всю энергию.

А могут ли они, грубо говоря, образовывать своеобразные пучки волновых колебаний?

Не очень понимаю, какие именно пучки ты представляешь:) Гравитационные волны распространяются направленным лучом (если ты про это). Более того, в теории относительности вообще нельзя определить энергию гравитационной волны локально - только в большом объеме.

Не влияет ли "гравитон" на фотон, если они "сближаются" на некоторое малое расстояние?

Влияет, конечно. Фотон распространяется в пространстве-времени, искривленном гравитационной волной. Это искривление меняет траекторию полета фотона (относительно плоского пространства-времени) - это как с гравитационным линзированием. В свою очередь фотон создает искривление пространства сам, что влияет на распространение волны (только очень-очень-очень-очень слабо).

Кстати, с некоторой точки зрения сам процесс детектирования гравитационных волн можно рассматривать как наблюдение влияния гравитационных волн на лазерные лучи в детекторах.

  Развернуть 1 комментарий

😎

Автор поста открыл его для большого интернета, но комментирование и движухи доступны только участникам Клуба

Что вообще здесь происходит?


Войти  или  Вступить в Клуб