Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком

Задача об арестанте

Когда я была студенткой физфака МГУ, нам давали задачу об арестанте. Мы высчитывали, какова вероятность того, что арестант пройдёт сквозь стену, т. е. окажется снаружи тюрьмы.

С точки зрения здравого смысла это невозможно. Ведь тогда получается, что человек может проходить сквозь стены! Но зная о туннельном эффекте – возможно. Ведь человек состоит из атомов, каждый из которых может в соответствии с туннельным эффектом «просочиться» сквозь стену.

Расчёты показывают, что для реализации этой идеи требуются многие миллиарды лет – больше времени, чем вообще просуществует наша Вселенная.

С точки зрения одного арестанта, это, конечно, долгий срок. А если представить, что этих арестантов миллиарды? Из 8 миллиардов человек, живущих сегодня на нашей планете, хотя бы один может пройти сквозь стену гораздо быстрее, с большой вероятностью – даже в течение года. Тогда вопрос с вероятностью таких событий приобретает уже совсем другой смысл.

Глава 6

Квантовая запутанность

Допустим, я возьму пару перчаток, не глядя положу по одной перчатке в разные коробки и отправлю их в далёкие страны. Первый адресат заглянет в коробку, увидит, какую именно – правую или левую – перчатку он получил, и сообщит мне. Тогда я легко определю, на какую руку другая перчатка, хотя вторую коробку ещё никто не открыл. Похожая корреляция происходит и в квантовом мире.

Квантовая запутанность возникает, когда становятся связанными друг с другом две частицы или более. То, что происходит с одной частицей, сразу же влияет на другую, несмотря на расстояние между ними.

Например, два фотона взаимодействовали, т. е. запутались [12] между собой, и улетели друг от друга на большое расстояние. И если мы измерим спин (момент вращения) первой частицы, он окажется положительным, а спин второй – всегда отрицательным, и наоборот. Правда, как только мы измерим одну частицу, запутанное состояние пропадёт. Измерение параметра одной частицы всегда сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанности другой.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если микрообъекты разнесены в пространстве на громадные расстояния. Были проведены опыты с запутанными фотонами, разнесёнными на тысячу километров, и они показали эту связь.

Квантовая запутанность немного отличается от классической. Как в примере с перчатками: ведь я не знала, какая перчатка к какому адресату отправлена, но тем не менее летела уже определённая перчатка. А в микромире во Вселенной нет точной информации о частице, пока мы её не пронаблюдали. Нет информации, как ориентирован спин частицы. Но как только мы измерим спин одной частицы, то тут же узнаем спин другой.

Запутаться могут любые частицы, которые взаимодействовали друг с другом (например, две частицы, появившиеся в результате распада атома). Запутанных частиц может быть сколько угодно. И запутаться они могут по любому квантовому числу (это число, характеризующее квантовую систему; спин – одно из них).

Квантовая запутанность, или, как Эйнштейн называл это явление, «жуткое действие на расстоянии», – одно из самых мистических явлений квантовой физики. По сути, это – отсутствие независимости в квантовых системах.

Благодаря квантовой запутанности был создан квантовый компьютер, развивается квантовая криптография, которая позволит получить полную сохранность данных, и происходит много других интереснейших явлений.

 Задание

Подумайте, какие явления макромира вы могли бы связать с квантовой запутанностью.

Глава 7

Философские бои