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

Физики заставили пустоту рождать материю и антиматерию: как ультрахолодные атомы показали неуловимый процесс

В классической физике вакуум определяется просто — это пространство, в котором нет ни одной частицы вещества. Однако квантовая механика запрещает существование абсолютной пустоты....

Почему кремний-углеродные аккумуляторы могут навсегда изменить рынок смартфонов?

Знакома ситуация, когда к трем часам дня телефон уже жалобно просит розетку, а повербанк становится постоянным спутником в сумке? Мы привыкли мириться с тем, что ради тонкого и изящного корпуса...

Сельпо: почему сельские магазины в СССР называли именно так и что означало это название

В советское время в любой деревне и небольшом селе был свой магазин с вывеской «Сельпо». Фразы «Сбегай-ка в сельпо», «Что сегодня дают в сельпо?», «Сходи по хлеб в сельпо» были понятны всем....

Почему яйца иногда чистятся идеально, а иногда скорлупа отходит вместе с белком?

Наверняка каждый сталкивался с такой ситуацией: варишь яйца, вроде бы всё делаешь одинаково, но результат каждый раз разный. Одни чистятся буквально за несколько секунд, скорлупа отходит...

Термоядерный синтез 70 лет запускали не с того конца: как работает найденный учеными «короткий путь» к энергии будущего

Главная задача управляемого термоядерного синтеза — получить электричество за счет слияния легких атомных ядер, в первую очередь изотопов водорода: дейтерия и трития. Когда два таких...

Почему ровно раз в 60 секунд проседают электросети по всему миру: ученые нашли уязвимость в обычной технике

В начале каждой минуты во всех крупных энергосистемах мира происходит одно и то же событие: частота электрического тока в сети немного падает, а через двадцать-тридцать секунд возвращается в...