Квантову механіку започаткували століття тому як теоретичну базу для розуміння атомного світу. Та одна з її ключових концепцій виявилася настільки радикальною, що стала частиною масової культури. Мова про квантові стрибки (quantumleaps), на честь яких було названо відомий американський науково-фантастичний серіал. Чи матиме це якісь наслідки для квантового стрибка Шевченка?
Але поки про науку. Переходи між двома квантовими станами блискавичні ще й відносно малі. Не дивно, що їх не помічали раніше. Але насправді важливо те, як саме вони відбуваються: миттєво без жодних ознак та причин чи вони таки мають певні перехідні процеси…
Історія
Питання швидкості квантових стрибків було центральною опорою квантової теорії. Сформульована Нільсом Бором, Вернером Гайзенбергом та їхніми колегами в середині 1920-х років вона отримала назву «Копенгагенська інтерпретація».
Все почалося, коли Бор побачив спектр атома водню і його світлі сподівання розбилися вщент. Замість красивої веселки, як на спектрі сонячного світла, де один колір плавно переходить в інший, він побачив набір смужок.
Красивих переходів нема — замість них чорна смужка. Тоді це відкриття здавалося неймовірним. Воно руйнувало тодішні закони фізики. Однак Бор опанував себе і спробував описати цей процес. Вчений припустив, що в атома є певні стабільні орбіти (стани), де й може перебувати електрон, а фотони світла є енергією для цих переходів. Щоб перейти на нижчий стан, електрон втрачає квант енергії — випромінює фотон певної частоти, а щоб перейти на вищий стан, електрон має отримати квант енергії — фотон певної частоти.
Фотографії реальних спектрів: а) спектр Сонця; б) спектр гелію; в) спектр водню.
Це пояснює, чому атоми й молекули поглинають і випускають хвилі світла характерної довжини: тому багато солей міді є блакитними, скажімо, а натрієві лампи жовтого кольору.
Бор і Гайзенберг почали розробляти математичну теорію цих квантових явищ у 1920-х роках. Квантова механіка Гейзенберга підрахувала всі дозволені квантові стани. І він припустив, що стрибки між ними є миттєвими.
Поняття миттєвих квантових стрибків… стало фундаментальним у «Копенгагенській інтерпретації».
Написала Мара Беллер, спеціаліст з історії науки.
Інший фундатор квантової механіки, австрійський фізик Ервін Шредінґер, без упину критикував ідеї Гейзенберга. Він придумав свою альтернативну теорію. Шредінґер розглядав квантові частинки як хвилі, а описував їх хвильовими функціями. І ці функції змінюються плавно, без миттєвих стрибків. У реальному світі нічого не стається миттєво, думав Шредінґер. А квантові стрибки, де електрон ніби «телепортується» з одного стану в інший, вважав плодом багатої уяви. У статті 1952 року під назвою «Чи існують квантові стрибки?» Шредінґер, посилаючись на свої попередні міркування, відповів на це питання заперечно.
Проблема з квантовими стрибками ще й у тому, що вони, як стверджували, відбуваються випадковим чином. Мовляв, ось собі електрон на певній орбіті, нічого не віщує біди, аж тут бах — він уже на іншій орбіті. Без попереджень. Без нічого. Таке враження, ніби у квантовому світі панує цілковитий хаос та випадковість.
Шредінґер та його близький друг Альберт Айнштайн не могли погодитися з тим, що на фундаментальному рівні реальності панує його величність Випадок. Сам же Бор бачив тут не так проблеми фізики, як проблеми її зв’язку з філософією та людським уявленням світу.
Сучасне відкриття
Розставив крапки над «і» новий експеримент, який показав, що квантові стрибки таки не миттєві. Вони поступові, як, наприклад, танення сніговика на сонці.
Якщо ми можемо успішно виміряти квантовий стрибок, то це означає, що його процес тривалий, хай і дуже короткий.
Стверджує Мічел Деворет із Єльського університету.
А Вільям Олівер, професор Массачусетського університету сказав на це просто:
Це дійсно фантастичний експеримент! Просто дивовижний!
І це ще не все. Зі своєю системою високошвидкісного моніторингу дослідники змогли зафіксувати початок квантового стрибка, «зловити» його на половині дороги й повернути частинки до початкового стану.
Експеримент показує, що квантові стрибки дійсно не миттєві, якщо уважно придивитися. Це реальні фізичні процеси, які протікають поступово, з плином часу. Поступовість стрибка — саме те, що передбачає одне з відгалужень квантової механіки: теорія квантових траєкторій.
Заспокоює те, що ця теорія ідеально відповідає тому, що ми насправді бачимо. Але вона ще хитка. Ми далекі від того, щоб повністю це зрозуміти.
Каже Девід Ді Вінченцо, експерт з квантової науки в Аахенському університеті (Німеччина).
Змога прогнозувати квантові стрибки уподібнює їх до виверження вулканів. Кожне виверження стається непередбачувано, але в деяких випадках на них цілком можна очікувати, якщо період затишшя довгий.
Професор Деворет зазначив, що здатність прогнозувати і контролювати квантові стрибки може застосовуватися в технологіях квантового зондування. Точніше в роботі атомного годинника, де потрібно синхронізувати сам годинник із частотою зміни станів атома.
А ось Ді Вінченцо вважає, що результати нового дослідження можуть знайти застосування ще й у корекції помилок для квантових обчислень. Однак професор каже, що до цього ще далеко. Для досягнення такого рівня контролю науковцям знадобиться щось, що дозволить вичерпно вимірювати всі параметри й величини квантового стрибка. А з цим поки існують проблеми.
Мічел Деворет (ліворуч) і Златко Мінєв, одні зі співавторів дослідження, на тлі кріостата
Наразі практичну цінність у дослідженні побачити важко. Проте ми визначили дещо досить важливе для науки: квантові стрибки таки не миттєві, але все одно відбуваються випадковим чином. Тож Шредінґер водночас і мав рацію, і помилявся — точнісінько як його кіт: перебував у суперпозиції.
До речі, то які ж тут наслідки для квантового стрибка Шевченка? А ніяких! Творець малюнків спирався на ідею серіалу, де герой із серії в серію стрибав у тіла різних людей у минулому, щоб рятувати їх від майбутніх нещасть. Фактичного зв’язку з квантовою фізикою тут немає. Але назва – красива…
Автор молодчинка! Стаття супер! Лайк!