Эксперимент, который взрывает мозг! — Transcript

Часто можно услышать утверждение, что современные учёные, дескать, отошли от реальности, витают в облаках и тратят время на придумывание каких-то абстрактных теорий, никак не связанных с реальным миром. Но проблема в том, что зачастую этот самый реальный мир демонстрирует нам столь поразительные явления, что ни один человек, даже с самой развитой фантазией, просто так их не придумает. В качестве примера можно назвать физический эксперимент, впервые проведённый ещё 200 лет тому назад, который продолжает взрывать мозг физикам и до сих пор. И объяснить, что именно происходит в этом эксперименте, а главное, почему оно так происходит без вот этих вот заумных теорий, ну никак не получается. И прежде чем я расскажу вам, что это за опыт и что в нём такого поразительного, подпишитесь на канал. А если вам нравится то, что здесь происходит, буду рад, если вы станете одним из его спонсоров. Кроме того, у меня теперь есть ещё страничка на Бусте. Буду рад, если вы подпишитесь и на неё, ссылку оставлю в описании к видео. Ну а теперь поехали. Эксперимент, о котором я говорю, — это так называемый двухщелевой опыт, который впервые поставил английский учёный Томас Юнг ещё в далёком 1801 году. Возьмём источник света и направим его на экран. А между экраном разместим преграду, в которой прорезаны две щели. Что на экране появятся просто две световые полосы, как бы изображение щелей. Однако на самом деле происходит нечто иное. Мы наблюдаем сложное чередование множества светлых полос различной интенсивности. Причина заключается в том, что свет является электромагнитной волной, то есть распространяется в пространстве колебаниями напряжённости электромагнитного поля. Распространяется световая волна в виде фронта, и когда свет проходит через две щели, то каждая из таких щелей становится самостоятельным центром такого фронта. На экране мы видим результат взаимодействия двух этих вторичных фронтов. В зависимости от расстояния от обеих щелей до данной точки на экране вторичные волны могут как усиливать друг друга, так и ослаблять вплоть до полного погашения. Этим и объясняется чередование тёмных и светлых полос на экране. Такое взаимодействие волн называется интерференцией, а получившееся изображение — интерференционной или волновой картиной. Проведя свой опыт, Юнг доказал волновую природу света, одержав верх над Исааком Ньютоном, который полагал, что свет является потоком неких светоносных частиц. Опыт Юнга стал классическим, и более 100 лет считалось, что с природой света удалось разобраться. Однако в начале XX века выяснилось, что Вселенная устроена немножечко сложнее. Например, если провести двухщелевой опыт, но вместо источника света взять источник свободных электронов, то есть уже самых что ни на есть настоящих частиц, то мы к своему удивлению тоже обнаружим на экране волновую картину. Так как если бы электроны являлись не частицами, а волнами. С другой стороны, был открыт ряд явлений, в которых свет, про который мы вроде бы точно выяснили, что он является волной, наоборот ведёт себя как частица, имеющая определённую энергию и импульс. Эту частицу света назвали фотоном. Так появилась физическая концепция корпускулярно-волнового дуализма, которую часто объясняют не вполне правильно, заявляя, что, мол, согласно ней свет является волной и частицей одновременно. На самом деле это не совсем так. Во-первых, как мы видели выше, речь идёт не только о свете, а вообще обо всех квантовых объектах. Во-вторых, настоящий смысл концепции состоит в том, что эти объекты не являются ни волнами, ни частицами, а представляют собой нечто третье, что в одних ситуациях ведёт себя как волна, а в других — как частица. Собственного названия для этого третьего мы пока не придумали, а для его описания мы будем в дальнейшем пользоваться термином квантовый объект или же называть такие объекты частицами, имея в виду, что это не совсем те частицы, которые мы привыкли наблюдать в повседневной жизни. Итак, мы выяснили, что благодаря обладанию волновыми свойствами квантовые частицы способны давать интерференционную картину в двухщелевом опыте, и это само по себе может показаться достаточно удивительным. Однако по-настоящему удивительные вещи только начинаются. Усложним наш опыт и устроим установку так, что источник одновременно будет выстреливать в экран всего одной единственной частицей, будь то электрон, фотон или что-то другое, и выпускает он следующую частицу лишь после того, как предыдущая достигла экрана. Можно ожидать, что в этом случае интерференционная картина наблюдаться не будет, как ни крути, а частица должна пройти или через одну, или через другую щель, ну или попасть в преграду и вообще не дойти до экрана, и интерферировать ей будет, по идее, не с чем. Но нет, даже и в таком случае интерференционная картина на экране продолжает возникать. Точнее, от одной-единственной частицы вы, конечно, никакой интерференционной картины не увидите, частица попадёт в вполне конкретное место экрана и всё. Но вот если выпустить в экран множество частиц, каждый раз выпуская их по одной, то в итоге мы увидим на нём чисто волновое чередование тёмных и светлых полос. Но как такое возможно, ведь в каждый момент времени в нашей установке имеется лишь одна единственная частица? У этого явления может быть всего одно и притом довольно парадоксальное объяснение: каким-то образом частица ухитрилась на двое, каждая из половинок прошла через свою собственную щель, а затем эти половинки соединились на экране, что, конечно, выглядит достаточно безумно. И верить в это, ну просто так, не очень хочется, поэтому мы попробуем проверить наше предположение и установим детекторы, которые будут проверять, прошла ли частица через верхнюю щель или через нижнюю, либо же через обе щели сразу. Результаты эксперимента будут однозначны: частица всегда будет проходить либо через одну, либо через вторую щель и никогда через обе сразу. Воодушевлённые результатами опыта, мы обратим свой взор на экран и увидим, что никакой волновой картины на нём не наблюдается, хотя до установки детекторов она была. И вот это уже по-настоящему странно. Каким образом частица может менять своё поведение в зависимости от того, наблюдаем мы за ней или нет? Столь странное явление довольно просто объясняется с точки зрения современной квантовой физики. Но для того чтобы сформулировать это объяснение, нам придётся сначала сказать пару слов о современных представлениях об устройстве мира квантовых частиц. Одним из основополагающих в квантовой механике является так называемый принцип неопределённости, который гласит, что невозможно с бесконечной точностью измерить одновременно и координату, и скорость частицы. Чем точнее мы будем определять одну из этих величин, тем менее определённым становится значение второй. В этой ситуации по сути бессмысленно говорить, к примеру, о траектории частицы. Да и вообще фразы типа «частица находится в такой-то точке» становятся не слишком корректными. Вместо этого в квантовой механике говорят о вероятности найти частицу с теми или иными характеристиками в той или иной точке в данный момент времени. Вспомним старую школьную задачку, в которой надо посчитать, через какое время прибудет в пункт Б велосипедист, выехавший из точки А с известной скоростью. Сама постановка такой задачи в квантовой механике некорректна, ведь, точно определив скорость велосипедиста в нулевой момент времени, мы потеряли всякую возможность сказать что-либо о его положении, и поэтому мы не можем сказать, что в этот момент он находился в точке А. И наоборот, задав положение велосипедиста в точке А, мы лишились какой-либо определённости относительно его скорости. С квантово-механической точки зрения мы должны были бы задать некую область в окрестностях точки А, в которой может быть обнаружен велосипедист в нулевой момент времени, а также некий диапазон скоростей, которыми он может обладать, а затем задаться вопросом, с какой вероятностью спустя то или иное время мы сможем обнаружить этого велосипедиста в некой окрестности точки Б. Для описания вероятности обнаружить объект в той или иной точке пространства в квантовой механике используется так называемая волновая функция. При этом мы, конечно же, в теории можем отправиться в точку Б и посмотреть, доехал ли до неё велосипедист в некий момент.

явления что ни один человек даже с самой развитой фантазией просто так их не придумает в качестве примера можно назвать физический эксперимент впервые проведённый ещё 200 лет Тому на зад который продолжает взрывать мозг физикам и до сих пор и объяснить что именно

происходит в этом эксперименте А главное почему оно так происходит без вот этих вот заумный теорий Ну никак не получается и прежде чем я расскажу вам что это за опыт И что в нём такого поразительного подпишитесь на канал А

если вам нравится то что здесь происходит Буду рад если вы станете одним из его спонсоров Кроме того У меня теперь есть ещё страничка на бусте Буду рад если Вы подпишитесь и на неё ссылку оставлю в описании к видео Ну а теперь

поехали эксперимент о котором я говорю - это так называемый двухщелевой опыт который впервые поставил английский учёный Томас Юнг ещё в далёком 1801 году возьмём источник света и направим его на экран А между экраном разместим преграду в которой прореживать что на экране появятся

просто две световые полосы как бы изображение щелей однако на самом деле происходит нечто иное мы наблюдаем сложное чередование множества светлых полос различной интенсивности причина заключается в том что свет является электромагнитной волной то есть распространяющийся в пространстве колебаниями напряжённости

электромагнитного поля распространяется световая волна в виде фронта и когда свет проходит через две щели то каждая из таких щелей становится самостоятельным центром такого фронта на экране мы видим результат взаимодействия двух этих вторичных фронтов в зависимости от расстояния от обей щелей

до данной точки на экране вторичные волны могут как усиливать друг друга так и ослаблять вплоть до полного погашения этим и объясняется чередование тёмных и светлых полос на экране такое взаимодействие волн называется интерференцией а получившееся изображение интерференционной или волновой картины проведя свой опыт Юнг

доказал волновую природу Света одержав верх над исааком ньютоном который полагал что свет является потоком неких светоносный частиц ПТ Юнга стал классическим и более 100 лет считалось что с природой Света удалось разобраться Однако в начале XX века Выяснилось что

Вселенная устроена немножечко сложнее Например если Провести двухщелевой опыт но вместо источника света взять источник свободных электронов то есть уже самых что не нае настоящих частиц то мы к своему удивлению тоже обнаружим на экране волновую картину Так как если бы

электроны являлись не частицами а волнами с другой стороны был открыт ряд явлений в которых свет про который мы вроде бы точно выяснили что он является волной наоборот ведёт себя как частица имеющая определённую энергию и импульс эту частицу Света назвали фотоном так

появилась физическая концепция корпускулярно-волнового дуализма которую часто объясняют Не вполне правильно заявляя что мол Согласно ней свет является волной и частицей одновременно на самом деле Это не совсем так во-первых как мы видели выше речь идёт не только о Свете А вообще обо всех

квантовых объектах во-вторых настоящий смысл концепции состоит в том что эти объекты не являются ни волнами ни частицами а представляет собой нечто третье что в одних ситуациях ведёт себя как волна А в других как частица собственного названия для этого третьего

мы пока не придумали а для его описания мы будем в дальнейшем пользоваться термином квантовый объект или же называть такие объекты частицами имея в виду что это не совсем те Частицы которые мы привыкли наблюдать в повседневной жизни Итак мы выяснили что

благодаря обладанию волновыми свойствами квантовые частицы способны давать интерференционную картину в двухщелевой опыте и это само по себе может показаться достаточно удивительным Однако по-настоящему удивительные вещи только начинаются усложни наш опыт и устроим установку Так что источник одновременно будет выстреливать в экран

всего одной единственной частицей будь то Электрон Фотон или что-то другое и выпускает он следующую частицу лишь после того как предыдущая достигла экрана можно ожидать что в этом случае интерференционная картина наблюдаться не будет как ни крути а частица должна

пройти или через одну или через другую щель Ну или попасть в преграду И вообще не дойти до экрана и интерферировать ей будет по идее не с чем но нет даже и в таком случае интерференционная картина на экране продолжает возникать Точнее от

одной-единственной частицы вы конечно никакой интерференционной картины не увидите частица попадёт во вполне конкретное место экрана и всё но вот если выпустить в экран множество частиц каждый раз выпуская их по одной то в итоге мы увидим на нём чисто волновое

чередование тёмных и светлых полос но Как такое возможно ведь в каждый момент времени В нашей установке имеется лишь одна единственная частица у этого явления может быть всего одно и притом довольно парадоксальное объяснение каким-то образом частица ухитрились на двое каждая из половинок

прошла через свою собственную щель а затем эти половинки соединились на экране что конечно выглядит достаточно безумно И верить в это ну просто так не очень хочется поэтому мы попробуем проверить наше предположение и установим детекторы которые будут проверять прошла

ли частица через верхнюю щель или через нижнюю либо же через обе щели сразу результаты эксперимента будут однозначны частица всегда будет проходить либо через одну либо через вторую щель и никогда через обе сразу воодушевленно результатами опыта мы обратим свой взор

на экран и увидим что Никакой волновой картины на нём не наблюдается Хотя до установки детекторов она была И вот это уже по-настоящему стран Каким образом частица может менять своё поведение в зависимости от того наблюдаем мы за ней или нет столь странное явление довольно

просто объясняется с точки зрения современной квантовой физики Но для того чтобы сформулировать это объяснение нам придётся сначала сказать пару слов о современных представлениях об устройстве мира квантовых частиц одним из основополагающих в квантовой механики является так называемый принцип неопределённости который гласит что

невозможно с бесконечной точностью измерить одновременно и координату и скорость частицы Чем точнее мы будем определять одну из этих величин тем менее определённой становится значение второй в этой ситуации по сути бессмысленно говорить к примеру о траектории частицы Да и вообще фразы

типа частица находится в такой-то точке становятся не слишком корректными вместо этого в квантовой механике говорят о вероятности найти частицу с теми или иными характеристиками в той или иной точке В данный момент времени вспомним старую школьную задачку в которой надо

посчитать Через какое время прибудет в пункт Б велосипедист выехавший из точки А с известной скоростью сама постановка такой задачи в квантовой механике некорректна ведь точно определив скорость велосипедиста в нулевой момент времени мы потеряли всякую возможность сказать что-либо о его положении и

поэтому мы не можем сказать что в этот момент он находился в точке А и наоборот задав положение велосипедиста в точке А мы лишились какой-либо определ о том что касается Его скорости с квантово-механическая мы должны были бы задать некую область в

окрестностях точки А в которой может быть обнаружен велосипедист в нулевой момент времени а также некий диапазон скоростей которыми он может обладать а затем задаться вопросом с какой вероятностью спустя то или иное время мы сможем обнаружить этого велосипедиста в

некой окрестности точки б для описания вероятности обнаружить объект в той или иной точке пространство в квантовой механике используется так называемая волновая функция при этом мы конечно же в теории можем отправиться в точку б и посмотреть доехал ли до неё велосипедист

в некий момент времени тут ответ будет уже однозначным Или да или нет вероятностный характер описания процесса исчезает физики Говорят что в результате наблюдения происходит коллапс волновой функции и система оказывается в каком-то конкретном состоянии с конкретными значениями наблюдаемых параметров но до

акта наблюдения говорить о чём-то конкретном в квантовой механике мы не можем и оперируем лишь вероятностями и описывающими их волновыми функциями в электродинамике мы рассматривали распространение светового луча в пространстве как перемещение возмущения напряжённости электромагнитного поля по аналогии можно сказать что в квантовой

механике перемещение объекта рассматривается как распространение в пространстве изменение значения вероятности обнаружить здесь объект а значит можно говорить о волне вероятности Или как её ещё называют волне де бройля именно такая интерпретация движения квантовых объектов и может объяснить наличие у них

волновых свойств кстати концепция волн де бройля сильно помогла в понимании того как устроен атом а точнее того как располагаются относительно ядра его электроны Если мы станем измерять положение электронов в атоме то Увидим что в разные моменты времени он будет

находиться в различных его точках Логично было бы предположить что Электрон каким-то образом движется внутри атома например вращается вокруг ядра по орбите подобно тому как это делают планеты солнечной системы именно так предполагал своей модели атома Эрнест резерфорд Однако такая гипотеза

немедленно привела к неустранимый противоречиям в его модели вращающийся или как-либо иначе движущийся Электрон Как и любая заряженная частица должен излучать электромагнитные волны И за счёт этого терять свою кинетическую энергию и получалось что Электрон за короткое время должен Сойти с Орбиты и

упасть на атомное ядро чего в реальности как мы знаем не происходит теория волн вероятности Объясняет это противоречие а точнее показывает что никакого противоречия нет Если Электрон в атоме не меняет своего энергетического состояния то с квантово механической точки зрения он вообще не движется в том

смысле что его волновая фун ци не меняет своей зависимости от пространственных координат Что же касается видимого изменения положения при разных наблюдениях то оно объясняется тем что при каждом конкретном наблюдении волновая функция коллапсе до определённого наблюдаемого значения причём каждый раз по-разному Именно

поэтому сегодня состояние электронов в атоме принято описывать в терминах орбиталей или электронных облаков областей внутри которых вероятность обнаружить Электрон существенно выше чем вне их Теперь же посмотрим как в терминах теории волн вероятности будет выглядеть движение нашей частицы в

двухщелевой опыте изначально мы имеем дело с единой волной вероятности которая на щелях разделяется на двое одной из облаков будет соответствовать случаю когда частица прошла через верхнюю щель другое когда она прошла через нижнее Ну а дальше Всё просто на экране произойдёт

интерференция двух волн вероятности исходящих от каждой из щелей точно так же как это имело место с электромагнитной волной в оригинальном опыте Юнга и и мы получим распределение вероятности обнаружить Электрон в той или иной точке экрана которая будет иметь характерный вид чередующихся

светлых и тёмных полос интерференционной картины момент попадания частицы на экран можно считать моментом измерения её положения в этот момент волновая функция частицы коллапсе и Она оказывается в той или иной точке экрана если же эту процедуру повторить множество раз то на участках с большей

вероятностью обнаружить частицу образуются светлые пятна там где эта вероятность будет маленькой наоборот тёмной с этой точки зрения довольно просто объяснить и исчезновение интерференционной картины при включении детекторов действительно произведя измерение сразу за щелями мы заставляем волновую функцию коллапс ещё до её

попадания на экран частиц локализуется в одном из двух состояний прошла через верхнюю щель или прошла через нижнюю щель и дальше ведёт себя в соответствии с этим но можем ли мы частицу переключиться обратно и снова стать волной оказывается что да если каким-то

образом стереть информацию о том через какую из щелей прошла частица например отключив детекторы то интерференционная картина на экране восстановится этот эффект получил название квантового ластика теперь пойдём ещё дальше и построим установку которая будет решать сохранять или удалять информацию о пути

прямо в ходе эксперимента в одном из реально в 1999 году опытов эта установка выглядела вот так сразу позади щелей устанавливается кристал бета барата бария который обладает способностью разделять световой луч на два световых пучка меньшей интенсивности расходящихся под углом друг к другу даже если

световой пучок состоит всего из одного фотона бета барат бария тоже его располовинить создав пару фотонов с меньшей энергией один из них мы направляем на наш экран он называется сигнальным тогда как второй который мы будем называть холостым направляют на

систему из призмы и нескольких полупрозрачных зеркал и детекторов именно Изучая этот холостой Фотон мы будем определять через какую щель прошла исходная частица Ну или не будет у холостых фотонов есть два варианта распространения во-первых они могут отразиться от полупрозрачного зеркала А

если Фотон прошёл через верхнюю щель или от такого же зеркала b если Фотон прошёл через нижню после этого наши фотоны попадут соответственно на детекторы 1,2 и получив сигнал от какого-либо из этих детекторов мы будем точно знать через какую щель прошёл Фотон если сигнал

придёт от детектора один то через верхнюю щель А если от детектора два то соответственно через нижнюю Однако помимо этого холостые фотоны могут ещё пройти сквозь полупрозрачные зеркала после чего попадут на полупрозрачное зеркало V и в зависимости от того

пройдут они сквозь него или отразятся от этого Зеркала попадут в детекторы 3 иче при этом холостые фотоны могут оказаться и в детекторе 3 и в детекторе четыре как в случае если первичный Фотон прошёл через верхнюю щель так и в случае если

он прошёл через нижнюю То есть если после прохождение фотона сработает детектор 3 или 4ре то мы знаем что мы ничего не можем сказать о том через какую именно щель прошёл наш первичный Фотон по сути в момент прохождения частицы через зеркала а или B система

решает будет ли она записывать данные о прохождении частицы через ту или иную щель либо же её путь останется неизвестным и вот прикол эксперимента в том что мы можем выстроить систему таким образом что решение о том сохранять или стереть информацию будет приниматься уже

после того как сигнальные фотоны попадут на экран действительно всё что для этого надо - это сделать расстояние от кристалла бета барата бария до детекторов большем чем от него же экрана в этом случае попадая на экран Фотон ещё не может знать Будет ли собрана

информация о его пути и ему надо вести себя как частицы или же он может вести себя как волна поэтому этот опыт ещё называют экспериментом с квантовым ластиком с отложенным выбор Ну и возникает вопрос как будут вести себя фотоны в таком случае как волны или как

частицы то есть будут ли они формировать волновую картину или оставят простое изображение двух полос в реальном опыте оказалось что происходит Как то так и другое точнее для тех фотонов траектория которых В итоге была установлена будет наблюдаться поведение частиц с другой

стороны те сигнальные фотоны путь распространения которых остался неопределённым то есть их холостые напарники прошли в детекторы три или четыре будут формировать волновую картину из чередующихся полос таким образом Фотон ведёт себя так как будто получил сигнал о том Будет ли его

траектория определена или нет Как бы из будущего И это по-настоящему поражает воображение может даже показаться что посредством такого механизма можно отправлять сообщение в прошлое строго говоря ничего такого на самом деле не происходит и понять это довольно несложно если аккуратно проанализировать

происходящее в терминах теории квантовой запутанности о ней мы подробнее говорили в отдельном видео Так что полностью повторяться не будем а сейчас скажем лишь главное сигнальный и холостой фотоны об шееся после прохождения через бета барат бария являются запутанными частицами а для таких частиц переход из

неопределённого в определённое состояние то есть коллапс волновой функции происходит одновременно То есть если мы заставили с коллапс волновую функцию одной из запутанных частиц то тут же коллапсе и функция второй причём состояние которое принимает одна частица определяют состояния в которых окажется

вторая таких состояний у нас в общем и целом три во-первых матери нская частица может пройти через верхнюю щель что соответствует попаданию сигнальной частицы в область простой картины без интерференции попаданию холостой картины в детектор о во-вторых материнская частица может полностью пройти через

нижнюю щель в результате чего сигнальный Фотон также станет частью простой картины а холостой фотон попадёт в детектор 2 наконец В третьих маршрут материнской частицы может остаться неопределённым то есть частица как бы пройдёт через обе щели сразу в этом

случае сигнальный Фотон станет частью интерференционной картины а холостой окажется в детекторе 3 либо четыре коллапс волновой функции то есть выбор между этими тремя вариантами система осуществляет в момент первого наблюдения и в нашем случае это будет момент попадания сигнального фотона на экран

грубо говоря в момент попадания на экран сигнальный Фотон выбирает стать ли ему частью простой или же интерференционной картины и после этого автоматически определяется дальнейшее поведение спта с ним холостого фотона если к примеру сигнальный Фотон выбрал интерференционную картину то этот его

выбор обяжет холостой Фотон пройти сквозь полупрозрачные зеркала а или б и оказаться в детекторе три или четыре Так что увы и ах никакой отправки сигналов в прошлое в опыте квантового ластика с отложенным выбором не наблюдается вот так достаточно простой по сути

физический эксперимент а именно двухщелевой опыт стал для нас свое образным билетом в Удивительный мир квантовой физики и какими бы странными ни казались Нам её положения без них объяснить поведение частиц в двухщелевой опыте во всём его многообразии не представляется возможным а если как

говаривал Шерлок Холмс отбросить все неподходящие объяснения то единственное оставшееся и будет верным даже если оно и кажется совершенно невероятным да И какая разница Что там Кажется нам с вами простым смертным Вселенная в конце концов совершенно не обязана быть такой

чтобы нам нравится