Как понять поведение электрона?

30 Сентября 2014 в 12:30, Илья Хель 9 062 просмотра 32

Плазма

Хочу рассказать вам об одной из самых красивых идей. Это физический эксперимент, и он красив, потому что одним элегантным движением он расширяет наше сознание, заставляя нас понять, что объекты могут вести себя таким образом, который нам и представить сложно. Но что примечательно, его можно рассчитать. Он прекрасен, потому что ставит под сомнение основополагающие принципы логики, на которых мы построили наше понимание мира. Прекрасен, потому что обманчиво прост для понимания, но его последствия пугают. Будем надеяться, ваша картина мира будет разрушена. Дальше — текст от первого лица рассказчика с Wired.

Это было одиннадцать лет назад. Я был первокурсником колледжа, сидел в физической лаборатории, выключив свет, и смотрел на пустой экран компьютера. На фоне играли хиты 80-х.

Итак, что мне было дано. На столе передо мной была коробка с двумя тонкими щелевидными отверстиями на одном конце. Мы стреляем частицами в эту коробку через щели. Я проводил эксперимент с фотонами, частицами света, но можно проводить его и с электронами, да и, в принципе, с чем угодно. Это мог быть даже мяч из 60 атомов углерода, который будет огромным по сравнению с электронами. Для удобства я буду называть объекты эксперимента электронами, но имейте в виду, что это может быть любой материал, который разбивается на части.

На другом конце коробки — ПЗС-камера, которая делает снимок, когда что-то попадает в нее. Каждый раз, когда частица проходит через коробку, я вижу, как соответствующая точка загорается на экране моего компьютера.

Двойная щель

Для пущей осторожности мы настроили эксперимент так, что в любой момент времени внутри коробки может быть только одна частица. Представьте, что очень крошечный мячик забрасывается в коробку. Музыка играет, мы сидим и ждем.

Что бы вы ожидали увидеть на другом конце коробки? Если электроны ведут себя как волны, вы увидите яркие и темные полосы, словно рябь в резервуаре с водой. Это происходит, потому что волны интерферируют друг с другом, гасятся, когда пик одной встречается с другой волной, и усиливаются, когда пики выстраиваются в линию.

Дифракция

Но электроны — не волны, это цельные куски. Я знаю это, потому что вижу, как они прибывают на экран по одиночке и бьют в одно место, словно капли дождя по асфальту. И если электроны — это цельные куски, вы увидите только их нагромождение за щелью и нигде больше. Короче, вы ожидаете, что они будут вести себя как мячи.

Дифракция

И правда, если вы проводите эксперимент только с одной открытой щелью, они ведут себя подобно мячикам, попадая в строгую полосу позади открытой щели. Разумно предположить, что когда мы откроем обе щели, мы увидим две полосы — соответственно каждой щели.

Двойная щель

Что делают электроны?

Посмотрите сами. На этом видео, сделанном учеными Hitachi в 1989 году, вы можете видеть, что творят электроны. Видео ускорено в 30 раз.

Нужно время, чтобы понять, насколько это странно. Так или иначе, электроны создали эту интерференционную картину из светлых и темных полос. Но они отправлялись по одному, так как же они могли интерферировать друг с другом? Если вы представите электрон в виде крошечного мячика, вам придется сделать вывод, что электрон, проходящий через одну щель, проскальзывает и через другую. Он выбирает оба пути и интерферирует сам с собой. Полная нелепица.

Давайте вернемся назад и попытаемся собрать воедино все данные. Рождается очевидный вопрос, который нужно задать. Подумайте об электроне, который попал на экран. Через какую щель он прошел?

Через левую?

Нет. Потому что когда вы прикрываете правую щель, полосатая картина исчезает и вы остаетесь со скучной одной полоской.

Через правую?

Нет. По той же причине, что и выше. Если закрыть левую щель, вы снова получите скучную полоску.

Через обе?

Нет. Потому что если бы это было правдой, мы ожидали бы увидеть, как электрон делится на две части, и один электрон (или его половина) проходит через каждую щель. Но если вы поместите детекторы на щелях, вы обнаружите, что этого не происходит. Вы всегда будете видеть только один электрон одновременно. Он никогда не распадается на две части.

Вообще нигде не проходит?

Нет. Конечно нет, что за глупости. Если вы прикроете обе щели, ничего не произойдет.

В этот момент вы начинаете думать, что все это становится немного смешным. Почему мы не можем просто проследить за проклятым электроном и узнать, через какую щель он проходит? Проблема в том, что смотреть на что-либо означает подсвечивать его, а если подсветить электрон, это означает столкнуть его с фотоном. Если вы крошечный электрон, такой удар собьет вас с пути.

Но вот погодите. Может быть, если сделать удар очень и очень мягкий, вы не потревожите электрон? Незадача в том, что если вы сделаете свет более нежным (ниже импульсом), вы сделаете его более рассеянным (увеличите длину волны) и в конечном итоге не сможете сказать, через какую щель прошел электрон.

Это тупик. Любая схема, которую вы можете придумать для определения маршрута электрона, уничтожит интерференционную картину.

Подводя итог, мы пришли к полосатому узору, который создается одной частицей. Но если вы пытаетесь выяснить, как именно частица оказывается на стене, вы приходите к выводу, что она не выбирает левый маршрут, не выбирает правый маршрут, не выбирает оба пути и не отказывается от обоих. Как отметил профессор Массачусетского технологического института Аллан Адамс, это в значительной степени исчерпывает все логические возможности.

Электрон не похож на волну, поскольку, в отличие от волны, попадает на экран в одной точке. Электрон не похож на мячик, поскольку если вы бросите его через двойную щель, он интерферирует и образует узор из полос. Нет никакой аналогии, которая поможет вам понять, что такое электрон. Это долбаная магия.

Как говорил на своих лекциях по квантмеху Аллан Адамс:

Эти электроны делают что-то, о чем мы никогда не думали прежде, о чем никогда не мечтали, о чем даже слов подходящих в языке нет.

Получается, что эмпирические электроны обладают способом передвижения и существования, который отличается от всего, к чему мы привыкли. Как и молекулы. И бактерии. Эти объекты просто сложно обнаружить. Физики придумали название такой модели бытия. Мы называем ее суперпозицией.

Иногда полезно думать об электроне как о частице, иногда полезно думать о нем как о волне. Но это всего лишь удобно для нашей речи, и оба способа именования неполные. Электрон — не волна и не частица. Электрон — это электрон. То же самое касается фотона, атома, мячика или гигантской молекулы, что там у вас было. Чем крупнее объект, тем сложнее увидеть эти полосы.

Вернер Гейзенберг, один из создателей квантовой механики, хорошо это понял. В 1930 году он написал:

Решение проблемы в том, что две ментальные картины, которые формирует у нас эксперимент — одна с частицей и одна с волной — обе неполны и обладают только приближенными аналогиями, которые являются точными только в определенных случаях. Кажущаяся двойственность возникает только из-за ограничений нашего языка.

Как учил Гейзенберг и другие, хотя язык подводит нас, мы можем придумать правила, которые точно объяснят, как крошечные вещицы ведут себя. Эти правила и есть квантовая механика. Используя эти правила, физики могут бросаться сложными фразами типа «волновая функция электрона находится в суперпозиции и проходит через левую и правую щели». Эти предложения крайне точно объясняются математическими выражениями, и на их основе делаются самые точные эксперименты. Не хватает только целостной картины, которую вы можете сложить у себя в голове и которая объяснит, какой путь выбирает электрон. Более того, мы практически уверены, что такая картина никогда не сложится.

Нет ничего удивительного в том, что наши обезьяньи мозги, которые развивались, бросая копья и камни средних размеров, не могут визуализировать поведение очень маленьких вещей. Но что еще больше удивляет, что даже при том, что мы не можем представить себе этот квантовый мир, нам удалось выработать правила игры.

Как понять поведение электрона?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

32 комментария

  1. ukmuk

    Наблюдатель влияет ... на окружающий мир.
    Так может он его и создает? :)

    • Smertvich Drang

      скорее, овеществляет, в соответствии с тем, во что верит?

    • serkerov

      Наблюдатель просто меняет поведение . это вроде принцип неопределённости. Измерив скорость не узнаешь координаты и наоборот.

      • Uki.Nagato

        Какой наблюдатель? Есть один датчик, он расположен на стенке, куда врезаются электроны. Щель одна - мы видим одну полосу, две щели, мы видим много полос. На электроны смотрят как и в первом случае, но результат заводит в тупик. Их пускают по одному а не кучей.

      • Uki.Nagato

        Какой наблюдатель? Есть датчик, он находится на стенке куда врезаются электроны, их пускают по одному. Щель одна - мы видим одну полоску, щели две - мы видим много полос. На электрон воздействуют одинаково в обоих случаях, а результат ошеломляет.

        • serkerov

          есть эксперимент в котором есть датчик фиксирующий прохождение электрона через щели. в таком случае две полосы и никакой интерференции. а это уже коллапс волновой функции. под словом наблюдатель я конечно же имел ввиду датчик фиксирующий электрон.

  2. Uki.Nagato

    Хотелось бы знать результат с 3-4-5 и более щелями

  3. JollyRoger

    Опыт надо делать так, чтобы хитрый электрон не понял, что за ним наблюдают. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  4. lkm80

    В статье и написано верно: что мы лишь условно понимаем что такое электрон, - думаю физикам видней у них головы большие, вот например для электрического тока в проводнике, распространенное объяснение: ток возникает упорядоченным движением заряженных частиц. Он распространяется со скоростью света, а ведь электроны в проводнике физически двигаются лишь со скоростью в несколько миллиметров в секунду!... Занавес :)) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • Gonschik

      Не путайте движение электронов как "шариков" в проводнике (оно да - медленное) и движение заряда. Даже при низкой физической скорости движения электронов их количество и, соответственно, суммарный заряд даст ощутимый ток, который равен Кл/с. Я тоже достаточно долго не понимал как ток идет со скоростью света, а сами носители заряда так медленно.

  5. lkm80

    Кстати с какой скоростью двигается этот электрон? Держу пари если его испустить на малых скоростях, то он пройдет лишь как частица, а вот если с огромной скоростью, то он будет взаимодействовать на энергетическом уровне с молекулами вокруг и получится интерференция, ведь участников уже много (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • serkerov

      Ребята наука изучающая элементарные частицы самая точная в мире на данный момент. Проблемы только в интерпретациях. А как она работает от и до объясняет математика. Так что лучше пари не держать. Т.к. это элементарная частица. Она интерферирует сама с собой. Потому что находится в суперпозиции. Т.е. и там и там одновременно. А как это происходит, уже вопрос философский. На который в принципе физики не любят отвечать. Теоретики считают, Экспериментаторы проверяют. И все сходится а почему . хз

  6. lagresse

    А что если каждый электрон испускает волну которая влияет на следующий электрон летевший через вторую щель тем самым отклоняя курс следующих электронов Которые в свою очередь падают на экран проявляясь как интерференция? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  7. nikname99

    Эфир!!!

  8. turanhuseyn767

    Истина где то рядом (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  9. TNV_Nikita

    Вы там что вообще все без головы!? Ну, серьезно ребята, включите мозг. Никто и никогда реально таких опытов не делал. Это все выдумки теоретиков. Ведь у электрона дебройлевская длина волны маленькая: щелью для неё является зазор между атомными плоскостями. Прикиньте: как можно, для электронов, сделать экран всего с двумя щелями? Как можно перекрывать только одну из них?

    • serkerov

      Квантовая телепортация тоже выдумка теоретиков? А квантовый компьютер который работает на принципе запутанности?
      ЭПР парадокс экспериментальным путём был разрешен.

      И это не выдумки.

      • TNV_Nikita

        Квантовая телепортация и квантовый компьютер - это шутка теоретиков безвозвратно затуманившая и без того больное состояние дел в квантовой физике.
        "Ученые" (релятивисты) уже со времен Эйнштейна завели науку в такое безнадежное состояние, что спустя сто лет современники не могут с этим ничего поделать.
        Раз уж вы не можете своей головой думать, тогда просто спросите этих "ученых" (релятивиста) о простых, казалось бы, вещах. К примеру: планетарное и солнечное тяготение, радиоволны и природа света, теплота, заряд и магнитное поле, электрический ток. Уверен, что полного, глубокого и вразумительного ответа не получите.
        Дальше обсуждать это бессмысленно.

        • serkerov

          Смешно читать. Думаю тебе имеет смысл вникнуть в тему потому что никакая это не шутка! И ещё раз повторяю. В квантовой механике единственная проблема в интерпретациях. А во всем остальном это не какая то псевдонаука в которой нет прогресса. Почитай про d wave systems .

          Да. Интересно конечно из каких таких соображений ты сделал такой вывод. Плюс скажи мне как ты можешь называть его безнадежным если бозон обнаружили в 2012 г

          • TNV_Nikita

            Так ты знания получаешь полагаясь только на веру? Тогда тебе лучше верить в бога и жить спокойно, оставаясь частью... Мой посыл заключался в том, что мозг нам дан не только для хлеба и зрелищ.

            По теме. Волновые свойства электрона ученые так и не доказали. Оно и понятно, ведь электрон - это элементарная частица вещества представляет собой квантовый пульсатор обладающий всего тремя формами энергии: квантовые пульсации (собственная энергия), кинетическая энергия и энергия связи (если частица входит в состав некоторой структуры). Сумма этих трех энергий у электрона всегда остается постоянной. И всё многообразие физических процессов сводится к тому, что, в результате тех или иных взаимодействий, происходят перераспределения между тремя формами энергии у квантовых пульсаторов – по принципу их автономных превращений. Так, свободная элементарная частица может иметь кинетическую энергию только за счёт точно такой же убыли своей собственной энергии. Интерферировать электрон не может по своей сути, интерференция - это удел совершенно других форм энергии, а именно волновых. И судя по честным опытам такой энергии у электрона просто нет. Забыли все и сейчас даже не вспоминают про это, назвали «корпускулярно-волновым дуализмом» все, что им не понятно и все тут. Есть фундамент в науке, а про его забыли и интерпретации твои тут не причем.
            И станет уже не до смеха, когда ты сам попробуешь понять и разобраться с этим клубком вопиющих противоречий в современной науке.

            • serkerov

              Вот именно что интерпретации не причём. Я это говорю к тому что они некого не волнуют. Как и почему вопрос философский

              По поводу волновых свойств я и не спорю. Это просто чтобы нам просто проще было понять вводят понятие карпускулярно волнового дуализма. Я понимаю что эл.ч. не является не тем и не другим.
              А вот про энергию частицы. Во первых они делятся на группы. Фермионов и бозонов. А во вторых элементарная частица обладает массой и спином.
              И уже в зависимости от этих показателей они и создают взаимодействия. Кстати и гравитация тоже входит туда же. Просто так как это очень слабое взаимодействие гравитон найти очень тяжело. По крайней мере с современными технологиями.
              У элементарных частиц есть свои нелакальные принципы. К которым и относятся запутанности суперпозиция неопределенность. И тд.

              А то что вся квантовая механика построена на волновой теории функции тебе не о чем не говорит?:)

        • serkerov

          В теории струн описываются разные взаимодействия в том числе и гравитационное. А основано это на математических расчетах. Или ты тоже из тех кто считает что математика лажа?

          • TNV_Nikita

            Рассуждая об электроне. Такое характеристическое свойство частицы, как масса, является непременным атрибутом квантовых пульсаций: чем больше их частота, тем больше масса.
            Дальше. Магнитного момента (или спин) у электрона нет и быть не может, поскольку у него нет необходимых для этого дополнительных внутренних степеней свободы, у атома (как у структуры) пожалуйста, а у электрона нет (он же тебе не шарик с распределенным по объему зарядом:)))! Посмотри историю и ты поймешь, так на опыте и не доказали.
            Про то как частицы делятся на группы. Есть всего три, по меньшей мере, элементарные частицы которые участвуют во взаимодействиях, которые действительно, в полной мере доказаны на опыте: протон, нитрон и электрон. Все остальные в теории, не имеет смысла даже говорить о них.
            Про гравитацию. Вещество не обладает способностью порождать тяготение. Оно не притягивает (доказано в полной мере многочисленными опытами), оно лишь подчиняется тяготению. К примеру: погружаясь по местной вертикали к центру земли сила гравитации увеличивается, а должна уменьшаться. Смысл тогда ловить, эти твои, гравитоны...
            Вот так, по всем позициям современная наука и ложает.
            Думаю дальше нет смысла с тобой вести диалог, у нас разные языки знаний.

            • serkerov

              adilserkerov@gmail.com напиши мне на почту. Так диалог будет более конструктивный

            • serkerov

              adilserkerov @ gmail. com напиши мне на почту. Так диалог будет более конструктивный. А ты мы говорим на разных языках.

            • freetown113

              TNV_NIKITA браво! на голову выше

              • serkerov

                прежде чем писать подобный бред ты бы проверил то что написал TNV_NIKITA/

                три частицы? протон нейтрон и электрон??

                нет спина у электрона? https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD

                если бы ты хотя бы чуть чуть решил проверить написанное ты бы сразу убедился что все частицы в стандартной модели эксперементально доказаны. фотон не имеет заряда но у него есть спин. и тд. короче ты понял

              • serkerov

                и да я нашел источник знаний никиты. судя по всему это канал на ютюбе про инопланетян и пирамиды

            • Gonschik

              Сила гравитации должна уменьшается?! Аа-а-а, что за бред? Счего? В центре земли ты будешь как в невесомости всилу одинакового притяжения со всех сторон, но это не значит что гравитация исчезнет

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.