Краткая история квантовой революции
1900
Макс Планк случайно устраивает революцию, предположив, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами, – рождается квантовая теория.
1905
Альберт Эйнштейн предполагает, что свет состоит из дискретных порций энергии, позднее названных фотонами.
1913
Нильс Бор выдвигает теорию строения атома, основанную на квантовых идеях.
1922
Эксперименты Артура Комптона подтверждают, что электромагнитное излучение может также быть описано как частицы-фотоны.
1923
Луи де Бройль обнаруживает волновую природу электронов.
1925
Бор и Вернер Гейзенберг формулируют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, по-прежнему доминирующую.
Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан разрабатывают первую версию квантовой механики.
1926
Эрвин Шрёдингер публикует волновое уравнение, демонстрирующее таинственную суть реальности.
1927
Вернер Гейзенберг выдвигает принцип неопределенности, налагающий фундаментальное ограничение на знания о мире, которые мы можем получить в принципе.
1935
Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен формулируют мысленный ЭПР-эксперимент и утверждают, что квантовая механика не является полным описанием реальности.
Эрвин Шрёдингер создает знаменитый мысленный эксперимент с котом, одновременно и живым, и мертвым.
1957
Хью Эверетт разрабатывает многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой новая вселенная создается каждый раз, когда мы измеряем положение атома.
1964
Джон Белл предлагает методику (неравенства Белла) для проверки того, является ли квантовая механика полным описанием реальности.
1982
Ричард Фейнман выдвигает идею квантового компьютера, в котором квантовые системы используются для вычислений.
Ален Аспе проводит экспериментальную проверку неравенств Белла и подтверждает полноту квантовой механики; локальный реализм терпит неудачу.
1997
Впервые осуществлена квантовая телепортация (одного фотона).
2015
Эксперимент без «лазеек» по проверке неравенства Белла подтверждает, что Эйнштейн был неправ и природа на самом деле является квантово-механической.
2016
Осуществлена квантовая телепортация по проводу длиной 6,2 километра.
2. Путешествие по квантовому миру
От бессмертных котов до частиц, появляющихся из ниоткуда, и призрачных воздействий на расстоянии – все в квантовой физике получает удовольствие от разрушения нашего интуитивного понимания работы мира. Здесь начинается знакомство с ее важными особенностями.
Корпускулярно-волновой дуализм
Старейшая и величайшая из квантовых тайн связана с вопросом, волнующим величайшие умы в течение как минимум 2000 лет со времен древнегреческого математика Евклида: «Из чего сделан свет?» На протяжении истории ученые искали ответ на него (см. рис. 1.4).
Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, но эта идея впечатлила не всех его современников. А эрудит Томас Юнг в классических экспериментах, проведенных им в начале 1800-х годов, продемонстрировал, что пучок света при прохождении через две узкие щели дифрагирует, то есть расходится, давая интерференционную картину на экране, расположенном позади щелей, – так, будто свет является волной.
Так что же это – частица или волна? Квантовая теория дала ответ вскоре после того, как появилась на сцене в начале XX века. Свет, впрочем как и все остальное, – это и частица, и волна. Движущаяся одиночная частица, например электрон, может дифрагировать и интерферировать сама с собой, как если бы она была волной, и – хотите верьте, хотите нет – объект размером с автомобиль, когда он едет по дороге, тоже имеет вторичное волновое свойство.
Разоблачение появилось в получившей большой успех докторской диссертации, представленной пионером квантовой физики Луи де Бройлем в 1924 году. Он доказал, что волновым описанием движущихся частиц можно объяснить, почему они обладают дискретными, квантованными уровнями энергии, а не непрерывным распределением, предсказываемым классической физикой. Сперва де Бройль предположил, что такое описание было всего лишь математической абстракцией, но корпускулярно-волновой дуализм кажется слишком реалистичным. Классический эксперимент Юнга по интерференции волн также был воспроизведен с электронами и частицами других типов (см. рис. 2.1).