Опыт с двумя щелями

Эксперимент квантового ластика с отложенным выбором является комбинацией двухщелевого эксперимента, запутанных состояний и эксперимента с отложенным выбором Джона Уилера. Каждый их этих компонентов мы уже рассматривали в предыдущих видео. Все они объясняются стандартной квантовой механикой, соответственно и их комбинация не приводит ни к чему новому. Никаких парадоксов получить не получится.

Итак, схема эксперимента выглядит следующим образом. Не пугайтесь ее вида. Если выкинуть всякие линзы и зеркала, то идея достаточно проста. Испускаемые лазером фотоны попадают на двухщелевую пластину. Далее стоит нелинейный оптический кристалл, который разбивает один фотон на пару фотонов в запутанном состоянии. Мы кратко рассматривали такой процесс в 19 части.

Предположим, что с вероятностью 50% фотон прошел через верхнюю щель. Возможные траектории фотонов образовавшейся запутанной пары показаны красным. Один фотон запутанной пары точно попадет в верхний детектор D0. Второй фотон отклоняется призмой, попадает на полупрозрачное зеркало и с вероятностью 25% попадает в детектор D4. С вероятностью 25% он проходит полупрозрачное зеркало, отражается от обычного зеркала и попадает на второе полупрозрачное зеркало. С вероятностью 12,5% он отразится от него и попадет в детектор D2 и с вероятностью 12,5% он пройдет и попадет в D1.

То же самое происходит с фотоном, прошедшим через нижнюю щель. Его возможные траектории обозначенными голубым. Один фотон попадет в верхний детектор D0, а второй запутанный фотон попадет в D3 с вероятностью 25% и в D1 и D2 с вероятностью 12,5%.

Верхний детектор D0 отличается от нижних. Фактически он является аналогом фотопластинки, то есть измеряет координату x попадания фотона. Следовательно на детекторе D0 можно наблюдать интерференционную картину, если таковая возникнет.

Все детекторы соединены счетчиком совпадений, чтобы не перепутать фотоны от разных запутанных пар и убрать фоновый шум. Например, фиксирование фотона верхним детектором D0 и одновременное отсутствие сигнала во всех четырех нижних детекторах.

Итак, что говорит квантовая механика? Если один фотон запутанной пары попал в детектор D4, то мы знаем, что исходный фотон прошел через верхнюю щель, а значит второй фотон пары вклад в интерференционную картину на детекторе D0 не даст.

То же самое, если мы фиксируем один фотон пары в детекторе D3, то исходный фотон прошел нижнюю щель, а значит второй фотон пары также не будет проявлять интерференционные эффекты на детекторе D0.

Мы говорили в 37 видео про двухщелевой эксперимент, что интерференция возникает только тогда, когда информация о том какая из альтернатив реализовалась отсутствует в Природе.

Так если фотон попадает в детектор D2 или D1, то он мог попасть туда как через верхнюю щель, так и через нижнюю. Информация о том какая из альтернатив реализовалась отсутствует и второй фотон запутанной пары будет вносить вклад в интерференционную картину на детекторе D0.

И действительно, если счетчиком совпадений учитывать только фотоны, оказавшиеся в D2, то их запутанные пары формируют интерференционную картину на верхнем детекторе D0.

То же самое если посмотреть только на пары, фотоны которых попадают в D1. Заметьте, что максимумы и минимумы на этом графике меняются местами по сравнению с предыдущим.

Аналогичные графики на детекторе D0 для фотонов пары попавших в D3 или D4 интерференции не содержат.

Если не иметь информации о том в какой из нижних детекторов попал фотон, то мы никак не сможем вытащить интерференционную картину из общего шума. Наблюдатель на детекторе D0 видит сумму вкладов всех четырех графиков. Заметьте, что из-за противоположно направленных максимумов и минимумов, сумма двух интерференционных картин даст картину без интерференции.

Никакие действия с нижними фотонами не повлияют на наблюдаемый шум на верхнем детекторе. Нельзя заставить включаться и выключаться интерференционную картину удаленно и соответственно передавать информацию быстрее скорости света. Это общее свойство запутанных состояний о котором мы также говорили ранее. Нужно обменяться классической информацией через счетчик совпадений, чтобы вытащить интерференцию из этого шума.

Но даже не это смущает некоторых людей. Многие ошибочно полагают, что здесь нарушается причинно-следственная связь. Они считают, что попадание фотона в один из нижних детекторов является причиной возникновения или отсутствия интерференции на верхнем детекторе D0. Еще раз напомню, что эту интерференцию еще надо отфильтровать от шума, но даже не это главное.

Логика их такая. Пусть фотон попал скажем в D2. Тогда мы должны описывать вероятность попадания в точку x другого запутанного фотона функцией с интерференцией.

Если же фотон попал скажем в D3, то мы должны описывать распределение вероятности функцией без интерференции. Получается одно событие влияет на другое. Попадание одного фотона в тот или иной нижний детектор приводит к наличию или отсутствию интерференции.

Но ведь нижний фотон проходит больший путь! Он попадает в нижние детекторы уже после того как верхний фотон попал в точку x на детекторе D0!. Получается следствие опережает причину! Будущее влияет на прошлое!

Понятно, что эта логика полностью неверна. Никакого влияния будущего на прошлое нет. Они просто путают причину и следствие. Если фотон сначала попадает в верхний детектор D0, то это и есть причина. А следствием будет то, что при получении информации о том в какую точку x попал фотон, вектор состояния коллапсирует и распределение вероятностей попадания в один из нижних детекторов поменяется! Вероятности уже не будут все по 25%.

Скажем, если фотон попал в точку x, соответствующую максимуму на первом графике, то более вероятно, что второй фотон пары попадет в детектор D1. Если он попал вблизи максимума на втором графике, то вероятнее он попадет в детектор D2.

Вот и все объяснение. Логика абсолютно такая же, как и у запутавшихся в причинах и следствиях людей. Измерение приводит к коллапсу вектора состояния и мы должны обновить вероятности. Это как раз то самое Байесовское обновление про которое мы говорили в 36 и 38 частях. Просто в первом случае обновляется распределение вероятностей для координаты x, а во втором вероятности для четырех нижних детекторов.

Другими словами, квантовая механика позволяет посчитать вероятности, например того, что один фотон попадет в точку x1, а второй окажется в детекторе D4; один окажется в точке х3, а другой в детекторе D2, и так далее. Этих вероятностей бесконечно много, потому что точек x, бесконечно много.

Видимо психологически проще полагать, что измерение дискретной величины – номера нижнего детектора — приводит к коллапсу вектора и обновлению вероятностей для непрерывной координаты x.

Скажем, пусть фотон попал в D2. Все вероятности без D2 станут равны нулю, а вероятности с D2 обновятся и будут предсказывать интерференционную картину для координаты x второго фотона.

Но многим почему-то трудно понять, что измерение непрерывной величины x также приводит к коллапсу и обновлению вероятностей для четырех нижних детекторов. Скажем пусть координата оказалась x5, тогда все вероятности с величинами, отличными от x5 станут равны нулю. А 4 вероятности с x5 для нижних детекторов обновятся.

Эти два процесса симметричны и приводят к одним и тем же физическим результатам. Разница лишь в том, что величина x непрерывна, а величина D дискретна и принимает одно из четырех значений. Без разницы куда сначала попадет фотон в нижние детекторы или в верхний D0. Ситуации полностью симметричны друг другу.

Заметьте, что в отсутствии счетчика совпадений мы не имеем возможность разделить четыре графика для верхнего детектора D0 и имеем их сумму, то есть одну картину без интерференции. А для нижних детекторов мы также получаем усредненные вероятности, которые окажутся все равны по 25%. Только последующий обмен классической вероятностью со скоростью не выше скорости света позволит наблюдать квантовые корреляции.

В общем, никаких сверхсветовых взаимодействий, нарушений причинно-следственных связей или новой физики вводить не нужно. Все объясняется в рамках стандартных постулатов квантовой механики.

Эксперимент квантового ластика

Квантовая механика

Δ x ⋅ Δ p x ⩾ ℏ 2 {\displaystyle \Delta x\cdot \Delta p_{x}\geqslant {\frac {\hbar }{2}}}

Введение
Математические основы

Основа

Фундаментальные понятия

Эксперименты

Развитие теории

Сложные темы

Известные учёные

Планк · Эйнштейн · Шрёдингер · Гейзенберг · Йордан · Бор · Паули · Дирак · Фок · Борн · де Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверетт

См. также: Портал:Физика

Эксперимент квантового ластика — это интерференционный эксперимент, который демонстрирует некоторые фундаментальные аспекты квантовой механики, включая квантовую запутанность и принцип дополнительности.

Эксперимент квантового ластика на двух щелях, описываемый в данной статье, имеет три стадии:

  1. Экспериментатор воспроизводит опыт Юнга, обстреливая фотонами пластину с двумя щелями и регистрируя интерференционную картину на экране детектора.
  2. Экспериментатор наблюдает, через какую щель проходит каждый фотон и демонстрирует, что после этого интерференционная картина разрушена. Эта стадия показывает, что наличие детекторов вызывает разрушение интерференционной картины.
  3. Информация о выбранном пути следования фотонов «стирается», благодаря чему интерференционная картина восстанавливается. (Вместо удаления или отката всех изменений, внесённых в фотоны или их пути, в этих экспериментах обычно производят ещё одно изменение, которое скрывает произведённые ранее).

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора.

Технология квантового стирания может быть использована для увеличения разрешающей способности современных микроскопов.

Введение

Эксперимент квантового ластика, описываемый в данной статье, является вариацией классического опыта Юнга на двух щелях, который устанавливает, что фотон не может интерферировать с самим собой при попытке экспериментатора определить, через какую именно щель прошёл фотон. Когда поток фотонов подвергается подобному наблюдению, характерные для опыта Юнга интерференционные полосы не наблюдаются. Эксперимент квантового ластика способен создать ситуации, при которых фотон, который был «промаркирован» для определения, через какую именно щель он прошёл, впоследствии может быть «очищен» от такой маркировки. «Промаркированный» фотон не может интерферировать с самим собой и не будет порождать интерференционные полосы, но фотон, который был «промаркирован» и затем «очищен», может впоследствии интерферировать с самим собой и будет способствовать порождению интерференционных полос, аналогичных полученным в ходе опыта Юнга.

Эксперимент квантового ластика использует установку с двумя основными секциями. После создания двух запутанных фотонов каждый из них направляется в свою секцию. Всё действия по определению пути одного из запутанных фотонов (изучаемого в секции с двумя щелями) будут оказывать влияние на второй фотон и наоборот. Преимущество манипулирования парой запутанных фотонов заключается в том, что экспериментаторы могут разрушить или восстановить интерференционную картину без внесения изменений в ту секцию установки, которая содержит пластину с двумя щелями. Экспериментаторы добиваются этого за счёт манипулирования запутанным фотоном, и такая манипуляция может быть выполнена до или после того, как одна из запутанных частиц прошла сквозь щели и другие элементы установки между источником фотонов и экраном детектора. То есть, в условиях, когда секция с двумя щелями была собрана таким образом, чтобы предотвратить проявление феномена интерференции (вследствие наличия информации о выбранном пути следования фотона), квантовый ластик может быть использован для фактического стирания этой информации. При использовании этой возможности, экспериментатор восстанавливает интерференцию без внесения изменений в ту секцию установки, которая содержит две щели.

Один из вариантов этого эксперимента, квантовый ластик с отложенным выбором, позволяет принять решение сохранить или уничтожить информацию о выбранном пути уже после того как одна из запутанных частиц (та, которая проходит сквозь щели) проинтерферирует (или не проинтерферирует) с самой собой. В таком эксперименте квантовые эффекты могут имитировать влияние будущих действий на события в прошлом. Однако, временной порядок измерений в данном случае не имеет значения.

Эксперимент

Рис. 1. Перекрёстная поляризация препятствует появлению интерференционных полос

Вначале фотон пропускается через специальное нелинейное оптическое устройство: кристал бета-бората бария (BBO). Этот кристал преобразует единичный фотон в пару запутанных фотонов пониженной частоты, процесс известен как спонтанное параметрическое рассеяние. Эти запутанные фотоны следуют разными путями: один фотон движется прямо к детектору, в то время как второй проходит через двухщелевую пластину на второй детектор. Оба детектора подключены к схеме совпадений, гарантирующей, что будут учтены только запутанные фотоны. Шаговый двигатель перемещает второй детектор вдоль сканируемой области, формируя карту интенсивности. Такая конфигурация порождает знакомую интерференционную картину.

Рис. 2. Введение линейного поляризатора на пути верхнего фотона восстанавливает способность нижнего порождать интерференционные полосы

Далее, перед каждой прорезью в двухщелевой пластине помещается круговой поляризатор, выполняя поляризацию по часовой стрелке для света, проходящего через одну щель, и против часовой стрелки для света, проходящего через другую щель (см. рис. 1). Эта поляризация регистрируется на детекторе, «маркируя» таким образом фотоны и разрушая интерференционную картину (см. законы Френеля-Араго).

Наконец, линейный поляризатор устанавливается на пути первого запутанного фотона из пары, придавая ему диагональную поляризацию (см. рис. 2). Запутанность гарантирует дополнительную диагональную поляризацию у второго фотона, который проходит через двухщелевую пластину. Это нивелирует влияние круговых поляризаторов: каждый фотон будет давать смесь света, поляризованного по часовой стрелке и против неё. Следовательно, второй детектор больше не может определить, какой именно путь был выбран, и интерференционная картина восстанавливается.

Эксперимент с двойной щелью и круговыми поляризаторами также может быть описан при рассмотрении света как классической волны. Однако эксперимент квантового ластика использует запутанные фотоны, которые не совместимы с классической механикой.

Бог обитает в квантовом мире

Автор Александр Артамонов 11.07.2016 17:41 Эврика » Гипотезы

Мир больших объектов предсказуем, надежен и меняется медленно. Но весь этот мир состоит из частиц — квантов, а они в свою очередь подвижны и непредсказуемы. За оболочкой привычных предметов бурлит квантовая жизнь. И, по мнению ученого-космолога, автора книги «Нереальная реальность» Андрея Кананина, она не может существовать без наблюдателя — Бога.

Бог в квантовом мире

— Космология — это наука, отпочковавшаяся от философии?

— Космология все-таки не отпочковалась от философии, а идет параллельно с философским знанием. Это наука о Вселенной и месте разумных существ в ней. Поскольку это достаточно большая область знаний, то здесь применяются естественно-научные подходы и необходимы определенные познания в астрофизике, астрономии, математике… Но в значительной степени это все-таки гуманитарное знание, философское осмысление проблемы разума и эволюции. Космология — это отдельная наука и достаточно серьезная.

— Большое внимание в космологии уделяется теме бытия Божьего во Вселенной, хотя рассматривается дарвинизм и другие теории. Помимо космологии есть квантовая физика — тоже молодая наука. Вы сумели построить целую систему доказательств, прибегая именно к этой научной отрасли?

— Да, совершенно верно. Квантовую физику понимают сегодня досконально 5-6 человек в мире, потому что если копаться в уравнениях, в математических конструкциях, то она крайне сложна для понимания. Но в общих чертах можно рассказать о самом главном. Классическая физика описывает большие масштабы. Она описывает планеты, она описывает людей, она описывает гравитационные силы, — то, с чем мы привыкли сталкиваться ежедневно.

Квантовая физика — другая. Она описывает мир на микроскопических масштабах. Ведь квант — это элементарный, самый маленький пучок энергии. Самый известный квант — фотон — это частица света. В последние годы выяснилось, что наш мир в целом квантовый. Это можно утверждать почти на сто процентов. То есть он — классический материальный, как считалось раньше, а в основе своей — квантовый. И это очень глубокий вывод, заставляющий пересмотреть современные научные концепции, которые недавно считались незыблемыми.

Первый квантовый эксперимент был проведен еще в 1801 году Томасом Юнгом. Он разместил две пластиночки — одну с двумя щелями, а за ней поставил непрозрачную, и пропустил свет. Логика подсказывает, что должны были образоваться две ярких точки на темной пластинке. К удивлению Юнга, точек не появилось, появился узор, как бы волновой. В XX-XXI веках опыт Юнга повторяли с одним единственным фотоном. Казалось бы, когда один фотон проходит, уж точно должна быть точка, но получился опять узор.

— Один фотон влетел, а в результате образовался узор?

— Нейтрализационная картинка, узор. Это может означать только одно: свет является одновременно и частицей, и волной. Это называют дуальностью квантового мира. Самый первый парадокс: свет — одновременно частица и волна.

Современная астрофизическая аппаратура позволяет уловить одинокие фотоны из очень дальнего космоса. Есть такие объекты — квазары — очень древние галактики, им десять миллиардов лет. И вот когда были пойманы одинокие фотоны от квазаров и пропущены через эту щель, получилась та же самая картинка — световой узор.

Это означает, что не важно, где происходит квантовый эксперимент и с чем он происходит, — у нас в земной лаборатории или в космических масштабах. Это свойство квантового мира универсально для всей Вселенной. Получается, что фотоны двигаются по всевозможным траекториям, по всем, которые теоретически возможны, при этом нарушая классические физические законы.

— Фотон может находиться в двух точках одновременно?

— Да. Вероятность встроена в саму структуру реальности — это первая особенность квантового мира. А второе свойство — именно нелокальность, запутанность частиц. Совершенно необъяснимый момент: частица знает поведение своего партнера, если они находятся на расстоянии километра или даже в разных частях галактики. Это тоже строго научно доказанный факт. И две связанных между собой частицы в квантовом мире всегда взаимодействуют друг с другом. Причем, это взаимодействие проявляется и распространяется быстрее скорости света.

Теория Эйнштейна при этом не нарушается. Дело в том, что эта взаимосвязь частиц не связана с передачей информации. То есть запутанность не позволяет передать информацию и какую-либо энергию. И вот эта вот запутанность в квантовом мире, его единство совершенно не связаны с классическим понятием пространства, времени, скорости света.

— Фотон, бозон — это минимальные частицы, первоначальные кирпичики? Или есть что-то еще меньше, на чем все строится?

— Очень сложно понять определенные нюансы квантового мира. Потому что мы понимаем частицу как некий объект, всегда представляем себе атом в виде точки, вокруг орбиты которой вращаются электроны. И частицу мы представляем себе как точку. Но никаким объектом частица в реальности не является, она вообще не объект в общепринятом понимании этого слова. Частица — как возбуждение квантового поля, которое окружает нас.

— То есть невозможно понять, что есть материальное, а что нематериальное? То, что нам кажется материальным, осязаемым, тоже какая-то иллюзия?

— Не совсем так. Материальный мир, безусловно, существует. Безусловно, в нашей Вселенной работают определенные фундаментальные законы. Дело не в том, что наш материальный мир, мир больших объектов, иллюзорен, — это не так. Дело в том, что он оказывается не главным. А главное в структуре реальности происходит на микроскопическом квантовом уровне.

— Получается, что мы — частность, а целое — это квантовое?

— Совершенно верно. Там действуют другие принципы. Когда говорят о вероятности, обычно у человека возникает в голове мысль об азартной игре. Например, вероятность попадания шарика в ячейку рулетки. Кажется, что она равна одному к 37 секторам. На самом деле это не так. Я думаю, рано или поздно будет создан очень сложный прибор — суперЭВМ. Тогда можно будет рассчитать, в какую именно ячейку упадет шарик.

Проблема в том, что нужно учитывать сотни тысяч параметров: потность руки крупье, как отполирован стол, кто из стоящих рядом чихнул… Но такой прибор всегда определял бы, в какой ячейке будет шарик. Поэтому это не вероятность. А вот квантовая вероятность — это именно фундаментальное свойство. И все, что вокруг нас происходит в глубине своей, в структуре реальности носит неопределенный вероятностный характер.

— То есть миром правит неопределенность, нелокальность и вероятность? Первооснова — совсем простые элементы, из которых состоит мир, — постоянно двигается и меняется. А мы лишь некое частное проявление этого механизма?

— Это научный факт. И здесь начинается самое интересное. Вокруг нас кипит, бурлит совершенно невероятная квантовая жизнь. Справедлив вопрос: а каким образом вот этот фундаментальный квантовый мир преломляется в то, что мы видим? В столы, стулья, телеэкраны и, в конце концов, в нас самих? Выяснилось, что самое главное в природе — акт наблюдения. Мир из квантовой запутанности, бурления превращается в мир материальных объектов, когда происходит наблюдение. Известный космолог Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент: посадить кота в коробку, и в коробке расположить атом, который распадается с вероятностью 50 на 50 в течение минуты. Распадается атом — появляется ад, и кот умирает. Не распадается — кот остается живым. Получается, что до тех пор, пока не открыть коробку, мы не можем сказать, жив кот или мертв.

Над этим полуживым-полумертвым состоянием ломали копья Альберт Эйнштейн, другие астрофизики. Парадокс Шредингера до сих пор до конца не объяснен. Но мы же знаем, что такого полуживого-полумертвого состояния не бывает.

Только открыв коробку и произведя акт наблюдения, мы можем узнать, жив кот или мертв. Но природа-то должна знать, что происходит. В целом физики уже понимают механизм преобразования вероятностного квантового мира в привычный нам материальный. Сложность в том, что неясно, почему и каким образом частица выбирает единственный из множества вариантов будущего. Кто наблюдал мир, пока не было человечества, когда Вселенная только возникла? Это был какой-то сторонний сверх-наблюдатель, назову его Творец, Создатель, — какой-то чистый разум.

Сейчас многие физики, не маргиналы, вообще считают, что если вы отвернетесь от леса, на который смотрите, то за вами уже будут не деревья, а неопределенная квантовая болтанка. Вы посмотрели — лес есть, отвернулись — а за Вами уже квантовая бездна.

— Получается, что понятие объективной реальности, которому нас учили со школьной скамьи, неверно?

— Совершенно правильно. Тяжело и сложно понять квантовую физику, потому что она противоречит нашей здравой логике, нашему здравому смыслу. Мы привыкли, что все в нашем мире идет своим чередом, солнышко с утра восходит и заходит, сила тяжести работает, мы не проваливаемся сквозь землю и не улетаем. А квантовый мир совершенно другой.

И ведь ранняя Вселенная в момент Большого взрыва была микроскопической. Большой взрыв сегодня — основная теория происхождения мира. И этот момент Большого взрыва характеризуется максимальным переплетением всех сил и энергий. Мы знаем по факту, что в современном квантовом мире частица способна существовать во множестве состояний. Логично допустить, что когда Вселенная сама была размером с частицу, тот же принцип был применим и к ней.

Получается, что само зарождение мира, создание нашей Вселенной можно признать уникально необычным квантовым переходом. А при квантовых переходах всегда необходим наблюдатель. Кто мог быть этим наблюдателем в момент зарождения нашего космоса? Можно назвать его Богом, Творцом, Создателем, чистым сознанием и пр.

Получается, что без наблюдателя Вселенная не просто утрачивает смысл, — исходя из прямого трактования сегодняшнего понимания квантовой физики, ее невозможно создать без акта наблюдения. И как только мы понимаем, что зарождение мира являлось событием квантовым, то абсолютно ясно, что Бог есть. Это — совершенно научный факт.

— Получается, согласно квантовой физике, был Творец, который создал мир?

— Здесь очень важно быть корректным в формулировках. Что было до момента создания мира, по православной традиции называется «небытие» — это ничто и никто. То есть мы не можем назвать что-то чем-то, когда ничего не было. Поэтому я бы сформулировал это так, что до момента создания мира нечто разумное должно было этот процесс наблюдать, чтобы преобразовать квантовую реальность в обычную.

Идею наличия Творца в квантовом мире следует обсуждать со всей серьезностью по той простой причине, что у нас Вселенная очень необычно организована. Она организована именно таким образом, чтобы в ней было комфортно существовать нам с вами, разумным людям. Это так называемый принцип тонкой настройки Вселенной. Масса параметров в космосе настолько благоприятны именно для нашей разумной природной жизни, — видимо, это не случайно. Естественным образом возникает вопрос: «Что, если этот мир изначально предусматривал возможность нашего существования?»

В принципе, сегодня есть всего три гипотезы происхождения Вселенной из-за Большого взрыва:

  • это совершенная случайность;
  • так называемая теория мультивселенной (то есть существует бесконечное число вселенных, одна из которых была бы комфортной для нас);
  • это Замысел.

Первой гипотезе я не доверяю, потому что не понимаю природы случайного, а аргументация «случилось, потому что должно было случиться», меня не устраивает. Во втором аргументе, по поводу мультивселенной, меня раздражает просто вопиющая неэкономичность природы. Ненормально и неестественно для того, чтобы появился один мир, комфортный для нас, создавать все возможные. Остается теория Замысла.

Подготовил к печати Юрий Кондратьев

Беседовал

Поделиться: Темы космология астрофизика

Странность

Ароматы в физике элементарных частиц п • о • р
Ароматы
  • Лептонное число: L
  • Барионное число: B
  • Странность: S
  • Очарование: C
  • Прелесть: B’
  • Истинность: T
Чётность
  • P-чётность: P
  • С-чётность: C
  • T-чётность: T
  • СP-чётность: CP
  • G-чётность: G
  • R-чётность: R
Квантовые числа
  • Главное: n
  • Орбитальное: l
  • Магнитное: m
  • Спин: S
Заряды
  • Изоспин: I или Iz
  • Слабый изоспин: T или Tz
  • Электрический заряд: Q
  • Цветовой заряд: r,b,g
Комбинации
  • Гиперзаряд: Y
  • Y = 2(Q − Iz)
  • Y = B + S + C + B’ + T
  • Слабый гиперзаряд: YW
  • YW = 2(Q − Tz)
  • YW = B − L

См. также:

  • CP-инвариантность
  • CPT-инвариантность
  • CKM-матрица
  • PMNS-матрица
  • Хиральность

В физике элементарных частиц странность S — квантовое число, необходимое для описания определённых короткоживущих частиц. Странность частицы определяется как:

S = N s ¯ − N s {\displaystyle S=N_{\overline {s}}-N_{s}}

где

N s ¯ {\displaystyle N_{\overline {s}}}— количество странных антикварков и N s {\displaystyle N_{s}\ }— количество странных кварков.

Причина для такого непонятного с первого взгляда определения в том, что концепция странности была определена до открытия существования кварков, и для сохранения смысла изначального определения странный кварк должен иметь странность −1, а странный антикварк должен иметь странность +1.

Для всех ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак. По этому правилу любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд.

Странность, как и заряд, является аддитивной и целочисленной величиной.

Пример

η 0 {\displaystyle \eta ^{0}} -мезон состоит из одного s-кварка и одного s-антикварка, поэтому странность этой частицы равна 0.

> См. также

  • изоспин
  • очарование
  • прелесть
  • истинность
  • гиперзаряд
  1. Широков Ю. М. Ядерная физика. — М., Наука,1980.- c. 290
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 14 мая 2011 года.

Двухщелевой эксперимент

Давайте теперь рассмотрим двухщелевой эксперимент, который наиболее ясно показывает природу всех квантовых объектов. Представьте себе обычную квадратную комнату, посреди которой установлена перегородка. Электроны из электронной пушки будут проходить через одно или два отверстия в перегородке.

Электронная пушка не похожа на пушки, которые мы видим в обычной реальности. По существу, это раскаленная проволока, вроде той, что можно видеть в электрической лампочке. Эта раскаленная проволока действует как пушка в том смысле, что она выбрасывает электроны. Мы направляем их на экран, покрытый счетчиками электронов. Эти счетчики чувствительны к электрическому заряду. Счетчики, располагающиеся по всему экрану, издают щелчки и регистрируют, или считают, сколько электронов попадает в данную точку на экране.

Оказывается, что то, сколько щелей открыто в перегородке, влияет на конечное появление электронов на экране. Для начала откроем в перегородке только одну щель.

Представьте себе, что вы пропускаете электроны через перегородку с одной щелью. Будем считать, что другая щель закрыта (см. рис. 14.1). Кроме того, для простоты представим себе, что я – это электрон. Мне становится по-настоящему жарко там, где находится пушка (раскаленная проволока), и мне не терпится быть выброшенным через щель в перегородке. Пушка возбуждает меня, и скоро у меня будет достаточно энергии, чтобы пролететь прямо через щель в перегородке в центре комнаты и оказаться на экране.

Помните, что есть только одна дверь, через которую я могу пройти. Другая дверь закрыта. Это очень ограниченный мир, но он мог бы быть забавным, и потому я собираюсь посмотреть, что случится. Я пролетаю через комнату и попадаю в экран на стене. Я попадаю в определенную точку экрана, и это отмечает счетчик, который издает щелчок.

Рис. 14.1. Комната с перегородкой слева и экраном справа

Чтобы продолжать эксперимент, вы можете нагревать ту пушку и посылать еще некоторое количество моих друзей-электронов через перегородку. Какой результат вы увидите по другую сторону перегородки, когда закончите это делать? Вы обнаружите, что мы, электроны, ведем себя более или менее подобно горсти брошенных камешков. Иными словами, мои друзья и я проходим через щель и, по большей части, попадаем в центр экрана. Конечно, бывают времена, когда некоторые из нас отклоняются от центра, иногда мы попадаем на экран еще дальше от центра, а в редких случаях один из нас попадает в самый край экрана (рис. 14.2).

Однако, в большинстве случаев мы попадаем в центр экрана, прямо напротив щели, через которую мы проходим. В результате, паттерн нашего рассеяния создает кривую вероятности, которая выглядит как вертикальный колокол с пиком в центре.

Рис. 14.2. Кривая вероятности в случае, когда открыта одна щель

Когда физики видели электроны, проходящие через одиночную щель и создающие эту кривую вероятности, они были счастливы. Они говорили: «Отлично, электроны действуют как обычные частицы. Они подобны камешкам или капелькам аэрозольной краски. Если вы распыляете краску через щель, то получаете больше краски в середине экрана, куда, согласно нашим ожиданиям, попадает большинство капель краски. По краям экрана они видели меньшее число электронов, или меньше «краски». Когда открыта одна щель, нет никаких пустых мест – только различные степени рассеяния.

Физики говорят: «Мы ожидали получить именно такие результаты. Теперь давайте посмотрим, что происходит, если мы будем более щедрыми и откроем для электронов вторую щель в перегородке». Представьте себе ту же самую комнату, но с двумя открытыми щелями в перегородке. На этот раз, пересекая ту неизведанную область между открытой щелью в перегородке и экраном, мы с друзьями попадаем на экран неожиданным образом. Мы ведем себя не так, как если бы мы были двумя потоками аэрозольной краски, проходящими через две щели и образующими две колоколообразные кривые.

Нет. Вместо этого в определенных точках экрана имеются пустые места, то есть туда почти не попадают электроны. Наша колоколообразная кривая вероятности превратилась в правильный волнистый узор, который вы видите на правой стороне приведенного ниже рисунка. Что произошло?

Рис. 14.3. Кривая вероятности для случая, когда открыты две щели, показывает, что электроны ведут себя как волны, интерферируя друг с другом

Новая кривая совсем другая. По-прежнему в центре имеется больше отметок, чем в любой другой точке. Однако в других точках, куда попадали бы электроны, если бы была открыта только одна щель, нет почти ничего. Имеется много отметок электронов на пиках кривой, но рядом с этими отметками, где на рисунке показаны знаки (—), электронов гораздо меньше. Как это могло произойти? Почему, когда имеются две щели, которые дают мне и моим друзьям-электронам две возможности, мы, доходя до экрана, иногда вообще никуда не попадаем?

Начиная с 1920-х гг. ученые пытались разгадать этот паттерн да/нет, и на этот счет имеется много идей. Один из ответов, которые дают на этот вопрос слушатели на моих семинарах, это: «Выбор сводит электроны с ума». Еще один ответ: «Электроны хотят держаться вместе потому, что им становится одиноко». Это замечательные теории, но они, равно как и другие аналогичные идеи, представляют собой объяснения НОР, которые трудно проверить. Мы не можем проверить, делают ли электроны выбор или им нравится жаться друг к другу, не общаясь с ними, а этого пока никому не удалось сделать воспроизводимым образом. Это не означает, что электронам не хочется держаться вместе или что две альтернативы не делают их более безумными, чем одна. Любая из этих возможностей может быть сколь угодно близкой к истине. Мы просто не можем проверить эти идеи.

Квантовые объекты, подобные электронам, живут в своем собственном мире, который обычно не доступен нам в общепринятой реальности. Если мы пытаемся прослеживать электроны, то настолько возмущаем их, что получаемая нами картина более не отражает то, что они делали бы, если бы мы им не мешали. Из-за нашего наблюдения невозможно дать ответ на вопрос ОР о том, что в точности происходит с электроном. Сама энергия, необходимая для наблюдения электронов, – луч света, который мы используем, чтобы их видеть, – отбрасывает их в неопределенные области Вселенной!

Поэтому мы не можем точно знать с точки зрения времени и пространства, что происходит между электронной пушкой и экраном. Нам известно лишь то, откуда электроны двигались, и то, что они, в конце концов, вызывали щелчки счетчиков на экране. Нам известен только результат, то есть поведение электронов на экране. Мы знаем, что это поведение зависит от того, открываем ли мы одну или две щели. Результаты показывают, что по какой-то неизвестной причине электроны ведут себя так, как если бы они были волнами, когда открыты две щели, но когда открыта только одна щель, они ведут себя как частицы.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >