Урок " Квантовая физика. Дуализм света и материи"

УРОК 3.

ДВОЙСТВЕННАЯ ПРИРОДА СВЕТА. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ.

                                                                                                                                                                                                                             

 

Теория и эксперименты приводят к заключению, что оба ответа должны быть утвердительными.

               ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ                                               КОРПУСКУЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

      (Гюйгенс 17в, Юнг 19в, Максвелл)                                                         (Ньютон 17в, Эйнштейн 20в)

                  ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ                                                                                         ФОТОЭФФЕКТ                                               

                        ДИФФРАКЦИЯ                                                                                  ДАВЛЕНИЕ, ИМПУЛЬС, ОТРАЖЕНИЕ

Корпускулярно-волновой дуализм  — это физический принцип, утверждающий, что любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.

А мы с вами – можем ли рассматриваться как волны? (чуть позже ответим на этот вопрос)

Гипотеза де Бройля. (1923г)

Движению каждой частицы соответствует распространение некоторой волны. Частота и длина этой волны определяются энергией и импульсом частицы:

Точно так же, любой волне с частотой ν и длиной волны λ отвечают частицы с энергией E = hν и импульсом p = h/λ.

Т.е. любой частице можно приписать волновые свойства, и ее поведение будет либо волной либо частицей в зависимости от того, что мы от нее хотим получить. Но будут ли волновые свойства проявляться у частицы ярко зависит от величины полученной ее длины волны.

В случае ЭМВ:

1.       ↑𝞴(↓𝞶)                  волновые свойств – сильнее, корпускулярные – слабее. (шкала ЭМВ)

•  Радиоволны. Длины волн здесь настолько велики, что корпускулярные свойства излучения практически не проявляются. Волновые свойства в этом диапазоне абсолютно доминируют. Длины волн могут составлять несколько метров или даже километров, так что волновая природа проявляется «сама собой» — радиоволны в процессе дифракции запросто огибают дома или горы. Излучение радиоволн и их взаимодействие с материальными объектами отлично описывается в рамках классической электродинамики.

•  Видимый свет и ультрафиолет. Это своего рода «переходная область»: в оптике мы

можем наблюдать как волновые свойства света, так и корпускулярные.

•  Рентгеновское и гамма-излучение. Длины волн очень малы, и наблюдать волновые свойства излучения весьма затруднительно. Дифракцию на «обычных» препятствиях при такой длине волны наблюдать невозможно. Энергия квантов в рентгеновском и гамма-диапазоне настолько велика, что излучение ведёт себя почти стопроцентно как поток частиц.

2.       В случае частиц:  частица будет проявлять волновые свойства тем лучше, чем больше её длина волны де Бройля (в масштабах данной ситуации).

Почему мы не наблюдаем волновых свойств у окружающих нас тел?  (Видели вы, например, интерференцию движущихся автомобилей?)

 Посчитаем длину дебройлевской волны объекта массой 1кг, движущегося со скоростью 1м/с:

                                                               

Это на 25 порядков меньше размера атома. Никакого волнового поведения у этого объекта при таких условиях не обнаруживается — он стопроцентно ведёт себя как «частица», то есть как материальная точка классической механики.

П2. ДИФРАКЦИЯ и ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ  ОТДЕЛЬНЫХ ФОТОНОВ  объясняются наличие у них  волновых свойств

Если в сторону 2х щелей будут выпускаться ОДИНОЧНЫЕ фотоны со скоростью 1ϒ в 10 сек, то результат на фотопластинке будет такой же, как будто проводился эксперимент  со светом, т.е отдельные фотоны интерферируют. С кем?

                 

Здравый смысл говорит, что каждый ϒ проходит либо через левую, либо через правую щель и картинка должна быть в 2 полосы, что объясняется классической возможностью определять положение тела и его скорость. Но в действительности фотоны интерферируют «сами с собой», воссоздавая с течением времени интер-ю картинку, ассоциирующуюся с волнами.

        В дифракции одиночных фотонов на 1 щели невозможно заранее установить, в какую точку на экране попадет фотон. Можно говорить лишь о вероятности попадания фотона в окрестность определенной точки.

П3. ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ (масса имеет волновое воплощение!!)

Масса электрона равна 9,1 · 10^-31 кг, и столь малое значение массы (а стало быть, и импульса в формуле λ = h/p) может дать длину волны де Бройля, достаточную для экспериментального обнаружения волновых свойств.

                     

Эксперименты показывают, что ВСЕ ВЕЩЕСТВО имеет волновое свойство. Электронная волна интерпретируется с точки зрения вероятности. В тех областях, где амплитуда больше – обнаружение ее более вероятно.

Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков.

Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи. Следовательно, волновые свойства должны быть присущи не только субатомным частицам, но и макроскопическим телам.

Это означает, что для крупных обьектов (машина, горошина…) волновые свойства являются практически не наблюдаемыми и квантово-механическая вероятность может полностью игнорироваться. Но на микроскопическом уровне мы можем указать только вероятность того, что электрон будет обнаружен в любом заданном месте.

 

Ричард Фейман – величайший физик-теоретик – высказал предположение, что  е, проходящий через щель, на самом деле проходит через ОБЕ щели. На отрезке от источника до некоторой точки на экране каждый отдельно взятый е на самом деле перемещается по всем возможным траекториям одновременно

 

Т.е.   е  «рыщет» одновременно по всем возможным путям, соединяющим  пункт назначения и отправления. Каждому  из этих путей можно сопоставить вероятность – некое число. Тогда вероятность того, что е появится в некоторой точке экрана, определяется суммарным эффектом от всех возможных путей, ведущих в эту точку. Этот подход в квантовой механике называется фейнмановское «суммирование по путям»

РОЛЬ НАБЛЮДАТЕЛЯ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Наблюдать за частицей можно только с помощью приборов из-за ее малости. Наблюдать – значит вступать в контакт, т.е посылать лучи, которые могли бы зарегистрировать частицу, принеся информацию об этой частице в регистратор. Но сам луч, взаимодействуя с частицей, влияет на нее, а это означает, что, вступая в контакт, частица отдает ИНФОРМАЦИЮ О СЕБЕ наблюдателю. Поэтому,

Никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее

Нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. 

   

Для того, чтобы осуществился АКТ НАБЛЮДЕНИЯ,  необходимо наличие трех факторов: ОБЪЕКТА, НАБЛЮДАТЕЛЯ (РЕГИСТРАТОРА) И ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ между объектов и наблюдателем.

В основе наблюдаемой реальности лежит непроявленная  и «невидимая» квантовая реальность, которая становится локализованной ( имеет место во времени) и «видимой» в ходе происходящего при взаимодействии обмена информацией, в результате чего объект становится фиксированным и выходит из описания его «как вероятности»

Все макротела состоят из микрочастиц, для которых справедливо лишь квантовое описание – т.е невозможности определить ТОЧНО местоположение, а предположение лишь ВЕРОЯТНОСТИ НАХОЖДЕНИЯ  в том или ином месте. Но как только микрочастицы собираются вместе в огромном количестве, образуя макросистемы – квантовый подход к ним напрямую неприменим из-за ничтожности их волновых свойств. Но как же КВАНТОВАЯ ВЕРОЯТНОСТЬ МИКРОМИРА переходит в КЛАССИЧЕСКУЮ ОПРЕДЕЛЕННОСТЬ МАКРОТЕЛ, если мы состоим из субатомных частиц?

ТРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТОВ

Мы можем полностью игнорировать истинную действительность из-за того, что наши представления о мире не допускают ее существования.

Д. Бом

Отправной пункт копенгагенской интерпретации — разделение физического мира на наблюдаемую систему («объект») и наблюдающую систему. Наблюдаемая система может быть атомом, субатомной частицей, атомным процессом. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и одного или нескольких людей-наблюдателей. Значительная сложность заключается в том, что две эти системы рассматриваются совершенно по-разному, как ИЗОЛИРОВАННЫЕ ДРУГ ОТ ДРУГА. Наблюдающую систему описывают в терминах классической физики, т.к. основное свойство классических объектов - разделенность. Мы знаем, что классические представления неадекватны на уровне атома, но пользуемся ими для описания экспериментов и подведения итогов

В копенгагенской интерпретации сосуществуют два мира — классический и квантовый, каждый из которых живет по своим законам. Если за частицей не ведется наблюдение, она существует в состоянии суперпозиции, то есть в нескольких состояниях и/или точках пространства одновременно, и для ее описания существует только ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОД обнаружить ее в том или ином месте.  Акт измерения «сводит»  волновую функцию частицы к конкретной точке или состоянию, где частица и обнаруживается (локализуется), и этот переход необратим. Смущающее обстоятельство заключается в том, что для проявления квантового мира необходим классический прибор или наблюдатель, который обеспечивает «схлопывание» (коллапс) волновой функции. Если схлопывания волновой функции не происходит, квантовое состояние остается ненаблюдаемым, можно говорить о том, что не произошел ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖДУ НАБЛЮДАТЕЛЕМ И СИСТЕМОЙ, и волновая функция является лишь формальным описанием нашего знания о системе, средством вычисления вероятности тех или иных событий.

Возникающая неопределенность - это не следствие недостатков измерительных приборов. Это - фундаментальное свойство того мира, в котором мы живем. Такая странность в поведении микрочастиц уже много лет не дает исследователям покоя и периодически ставились эксперименты с целью "обмануть частицу" и померить и координату и скорость одновременно. Периодически, даже, казалось, что это удалось. Но дальнейшие "разборки" ставили все на свои места. Природу обмануть никому не удалось. И траектории у элементарных частиц нет. Что делает частица между актами наблюдения - это фундаментальная тайна..

В многомировой интерпретации квантовой механики, предложенной Хьюго Эвереттом, подход совершенно иной: каждая из компонент суперпозиции (КАЖДАЯ ВЕРОЧТНОСТЬ) описывает целый мир, и ни одна из них не имеет преимущества перед другой. Если в копенгагенской интерпретации ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ представлял собой полезную теоретическую конструкцию, то в многомировой интерпретации он имеет под собой реальную физическую основу.

В интерпретации Эверетта реализуются все возможные исходы любого события, только в разных мирах. А число миров, в которых произошло то или иное событие, пропорционально вероятности этого события. То есть вместо вопроса о вероятности события ставится вопрос о том, с какой вероятностью наблюдатель попадает в тот или иной мир.

Концепция Эверетта сыграла свою положительную роль в понимании и популяризации квантовой механики. Однако эта интерпретация «классична» в том смысле, что подменяет нелокальность (ВЕРОЯТНОСТЬ) и суперпозиции квантового мира бесчисленным набором классических миров

Наиболее последовательной на сегодняшний день является экзистенциальная интерпретация , сформулированная Войцехом Зуреком в 2001 году. Она во многом основана на теории декогеренции, описывающей проявление классических объектов из квантовой суперпозиции, и практически лишена недостатков рассмотренных выше подходов.

Классическая реальность, согласно данному подходу, возникает из квантовой при наличии взаимодействия между объектами, Т.Е.  объекты должны обменяться информацией.  Для «создания» классической реальности информации, передаваемой при взаимодействии всем возможным наблюдателям, должно быть достаточно, чтобы различить компоненты суперпозиции между собой. И ТОГДА КВАНТОВЫЙ МИР  проявляется во всей своей красе классичности – т.е. в том виде, к которому мы привыкли.

Вспомним двухщелевой эксперимент: как только мы любым образом получали информацию, через какую из щелей прошла частица, квантовые эффекты исчезали, суперпозиция превращалась в определенность. В экзистенциальной интерпретации роль получающих эту информацию наблюдателей могут играть любые объекты окружения. Иначе говоря, любое взаимодействие является каналом  декогеренции, схлопывания, или, что по сути одно и то же, каналом обмена информацией. Именно обмен информацией рассматривается в экзистенциальной интерпретации как причина изменения любых состояний.

Декогеренция — процесс потери системой квантовых свойств и перехода из суперпозиционного квантового состояния в фиксированное, которое происходит в результате взаимодействия системы с окружающей средой.

Теория декогеренции утверждает, что суперпозиция состояний в какой-либо системе возможна лишь в том случае, если в окружении не записывается информация, То есть чтобы система не взаимодействовала с окружением с интенсивностью, достаточной для записи в окружении информации, позволяющей разделить компоненты вектора состояния этой системы.

Таким образом, суперпозиционные состояния могут существовать лишь в замкнутых системах, когда нет взаимодействий, переводящих суперпозицию в локальность. По крайней мере, если, не затрагивая окружения, ограничиться лишь самой системой, суперпозицию в открытых системах наблюдать невозможно.

Что же происходит в открытых системах? Очень просто: в них суперпозиционные состояния переходят в локальные — из-за записи в окружении информации о состоянии системы, происходящей в ходе взаимодействия.

Может возникнуть вопрос: если я не смотрю на Солнце, оно, что, перестает существовать?

Да, если никто-никто не будет «смотреть» на Солнце, и ни один объект вокруг (включая астероиды, другие звезды, пыль, атомы и так далее) не будет с ним взаимодействовать и записывать в своей структуре информацию о нем, Солнце перестанет существовать как локальный классический объект и перейдет в чисто квантовое нелокальное состояние. Однако, поскольку наблюдающих подсистем вокруг великое множество, Солнце предстает перед нами как локальный, классический объект. Другие объекты внешнего мира уже осуществили декогеренцию и перевели объект под названием «Солнце» в локальное состояние. При этом каждый из объектов «видит» в другом лишь те компоненты волновой функции, взаимодействие с которыми было достаточным для определения их состояния, то есть для перевода этих компонент из суперпозиции в локальность.

Можно сказать, каждый из существующих объектов вносит свой вклад в формирование реальности. И если таких объектов достаточно много, реальность вокруг предстает как «объективная» и независящая от нас. В этом случае возникает иллюзия объективности мира и существования у него Истории, то есть последовательности независимых от наблюдателя событий, приведшей к настоящему состоянию.