Почему квантовая суперпозиция — это главное понятие квантовой физики, которое придётся осознать?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Квантовая физика традиционно будоражит сознание и подразумевает такие вещи, которые любому человеку в здравом уме покажутся чем-то невероятным. Многие понятия квантовой физики отталкиваются от некоторой базы знаний и среди этих представлений главное — это квантовая суперпозиция. Именно благодаря её существованию возможны шутки типа кота Шрёдингера и появилась возможность работать с кубитами. Но как представить себе квантовую суперпозицию? Она подразумевает, что у объекта есть сразу все состояния, а это невозможно перенести на классическую картину мира.

Автор: freepik Источник: ru.freepik.com

На помощь могли бы прийти ассоциации или сопоставление явления с чем-то хорошо понятным и отлично знакомым. Вот только и тут не обошлось без сложностей. Давайте разбираться по порядку.

Классическая суперпозиция

В классической механике суперпозиция — это довольно простая и линейная вещь, которую легко проанализировать. Давайте представим простой пример. Вы бросаете камни в воду. Делаете это одновременно, и они начинают провоцировать появление механических волн на глади воды. Вода как механическая среда начинает колебаться, и если эти колебания встречаются друг с другом. Происходит их сложение или интерференция волн. Это взаимодействие может быть как конструктивным, так и деструктивным, а волны могут даже полностью аннигилировать, если встретятся с разными направлениями и одинаковой амплитудой.

Важно тут то, что две механические волны, распространяющиеся в среде, накладываются друг на друга, и мы наблюдаем результат их взаимодействия или суммирования. Это общее правило для большинства случаев. Термин суперпозиция тут может быть применен и, например, к поиску векторной суммы двух сил. Если два человека тянули веревку в разные стороны, то можно найти суперпозицию сил в системе.

Квантовая суперпозиция

Теперь давайте перенесём это понимание на квантовый мир. Уместно ли там такое понимание суперпозиции? Вы уже, наверное, догадываетесь, что нет. Квантовая суперпозиция — это принципиально другое явление.

Чтобы понять, что такое квантовая суперпозиция, давайте приведём простой пример. Представьте, что вы подбрасываете монетку. У неё есть два стабильных положения: орёл или решка. Но пока монетка вращается в воздухе, она находится в непонятном состоянии. Как описать это состояние с точки зрения классической физики? Вероятно, подойдёт что-то вроде логики вероятности, но это будет странно, так как вероятность проявляется только в момент, когда монетка упадёт. Фактически, в воздухе монетка находится в состоянии, когда она одновременно и орёл, и решка. Это и есть квантовая суперпозиция.

Полезно отметить, что ни одно из сравнений, которое мы можем предложить для квантовой суперпозиции, не будет полностью правильным. Мы работаем не с каким-то странным явлением из окружающей реальности, а специфическим понятием, где стандартная логика просто неприменима. Когда-то это очень хорошо описал Шрёдингер, используя мысленный эксперимент с котом. Невозможно предложить такое материальное сравнение, которое позволит объекту находиться сразу во всех состояниях и иметь все свойства.

В квантовой физике суперпозиция описывается волновой функцией, которая является базой для всей квантовой физики. Волновая функция описывает частицу, у которой есть сразу все возможные состояния. Конкретное значение появляется только в момент взаимодействия с наблюдателем. Это явление называется эффектом наблюдателя и именно этот результат мы в итоге наблюдаем в реальности.

Правильнее всего полагать, что квантовая суперпозиция — это математический объект, который действительно проявляет себя в макромире и может наблюдаться, но только после взаимодействия системы с наблюдателем.

Но почему так происходит? На этот вопрос пока нет простого ответа. Вся современная физика, особенно квантовая, построена на математике, и квантовая суперпозиция — это математическое состояние, которое описывается волновой функцией. Эта функция имеет вероятности конкретных решений, и конкретное решение становится тем состоянием, которое мы наблюдаем на практике.

Изображение в превью:
Автор: freepik
Источник: ru.freepik.com
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Изучаю физику и стараюсь познать устройство мира с её помощью. Делюсь наработками и открытиями с вами. Кандидат наук, научный сотрудник и когда-то преподаватель. Автор научных статей в рецензируемых журналах. Рассказываю интересное про популярную науку и физику на YouTube, заходите в гости! Читайте мои статьи на этой страничке ixbt и в Telegram-канале!

1 комментарий

a
Кот Шредингера — чисто классическое рассуждение.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Ровесник Большого взрыва: в центре Млечного Пути нашли звездное скопление возрастом 13,4 миллиарда лет

Один из главных вопросов современной астрофизики — как именно и когда сформировалась наша Галактика, Млечный Путь. Согласно физическим моделям, сборка любой крупной галактики начинается...

Почему водители останавливаются после поворота, хотя основной светофор разрешал проезд, и правильно ли они поступают

На регулируемых перекрёстках нередко складывается ситуация, когда разрешающий сигнал основного светофора позволяет выполнить поворот направо, а сразу после поворота располагается пешеходный...

Почему на советском ЗИЛ-157 водитель специально спускал колёса прямо во время движения

Представьте, что тяжёлый грузовик едет по грунтовой дороге, впереди глубокая грязь или рыхлый снег. Казалось бы, перед таким участком нужно проверить, хорошо ли накачаны колёса. Но...

Сколько весит выдох планеты: метаболизм всех людей на Земле производит 2 миллиарда тонн CO₂ в год

Жизнедеятельность человека непрерывно связана с выработкой углекислого газа. С каждым вдохом в легкие поступает кислород, который разносится кровью по тканям и участвует в расщеплении питательных...

Боком в Темзу: как гигантский пароход Great Eastern спускали на воду

Осенью 1857 года на берегу Темзы стоял корабль, который уже до первого плавания оказался слишком большим для привычных правил судостроения. Great Eastern растянулся почти на 211 метров —...

Зачем Grundig объединил кремний и германий: схемотехника катушечника TK 121

Завод Grundig выпускал катушечный магнитофон TK 121 с 1969 по 1973 год. В части сервисных каталогов указан период с 1969 по 1972 год. Размеры корпуса составляют 39,0 x 16,0 x 29,0 см при массе...