Лекция «Квантовая запутанность для самых маленьких».

• Евгений Шукевич, сотрудник кафедры общей физики СПбГУ, рассказывает о квантовой перепутанности.  

• Тема вызвала много спекуляций, и лекция будет научно-популярной.  

• Цель лекции - развеять магический флер вокруг темы.  

• Вопрос о необходимости квантовой механики в мире.  

• История научных споров о природе материи и атомов.  

• Модель атома Томпсона "пудинг с изюмом" и её недостатки.  

• Эксперимент по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге.  

• Модель Томпсона не объясняла результаты эксперимента.  

• Резерфорд предложил планетарную модель атома.  

• Планетарная модель атома не объясняет, почему электроны не падают на ядро.  

• Классическая электродинамика предсказывает излучение энергии электроном.  

• Время падения электрона на ядро составляет 10^-11 секунд, что противоречит реальности.  

• Модель Резерфорда не предсказывала размеры атомов.  

• В начале 20 века классическая механика перестала работать.  

• Необходимость новых подходов к описанию природы.  

• Метафора абсолютно черного тела и её значение.  

• Модель абсолютно черного тела как сферы с зеркальными стенками.  

• Свет, падающий на такое тело, полностью поглощается.  

• Отношение площадей и отверстий к внутренней поверхности сферы определяет долю излучения, выходящего обратно.  

• Окна в квартире кажутся темными из-за многократного отражения и поглощения света.  

• Солнце также является моделью абсолютно черного тела, так как доля вернувшегося излучения меньше исходной интенсивности.  

• В конце XIX века физики установили, что черное тело излучает пропорционально четвертой степени своей температуры.  

• Энергия может быть преобразована в кинетическую энергию частиц или переизлучена.  

• Формула Релея-Джинса предсказывает спектральную плотность энергии, но не учитывает ультрафиолетовую катастрофу.  

• Формула Релея-Джинса предсказывает бесконечную энергию при больших частотах, что не соответствует реальности.  

• Это явление называется ультрафиолетовой катастрофой.  

• Решение проблемы предложил Макс Планк, предложив гипотезу о квантовании излучения.  

• Планк предположил, что излучение и поглощение происходят дискретными порциями энергии.  

• Энергия кванта пропорциональна частоте излучения и определяется постоянной Планка.  

• Формула Планка устраняет ультрафиолетовые расходимости, вводя экспоненциальную функцию.  

• Фотоэффект объясняет, почему кинетическая энергия электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности.  

• Эйнштейн предложил, что свет также квантуется, что объясняет результаты фотоэффекта.  

• Квантование света объясняет, почему энергия электрона зависит только от частоты света, а не от его интенсивности.  

• Свет считается волнами, но также может состоять из частиц, называемых фотонами.  

• Энергия фотона пропорциональна его частоте.  

• Фотон проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства.  

• Свет демонстрирует явления дисперсии, дифракции и интерференции.  

• Эти явления не могут быть объяснены с точки зрения корпускулярных свойств.  

• Пример с теннисным мячиком показывает, что частицы не могут вести себя как волны.  

• Свет создает интерференционную картину при прохождении через две щели.  

• Частицы, такие как теннисные мячики, не проявляют интерференции.  

• Свет ведет себя как волна, но также как частица в фотоэффекте.  

• Эксперимент показал, что фотон не делится пополам.  

• Фотон либо попадает на один фотодетектор, либо на другой.  

• Это подтверждает, что фотон неделим.  

• Вопрос о том, интерферирует ли фотон сам с собой, остается открытым.  

• Один фотон может вести себя как частица, но статистически будет интерференция.  

• Проблема измерения в квантовой механике остается актуальной.  

• Фотон проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства.  

• Вопрос о том, являются ли другие частицы волнами, остается открытым.  

• Эксперимент с электронами показал, что они также могут интерферировать.  

• Звук и свет - это волны плотности среды.  

• Волны на воде - это колебания плотности воды.  

• Электроны - это волны вероятности.  

• Квантовая механика описывает состояние частиц волновой функцией.  

• Состояние частицы задается набором параметров, таких как энергия, импульс и масса.  

• Квадрат волновой функции определяет вероятность обнаружения частицы в определенном состоянии.  

• Система может находиться в суперпозиции двух состояний одновременно.  

• Измерение разрушает суперпозицию, переводя систему в определенное состояние.  

• Пример с котом Шредингера иллюстрирует разрушение суперпозиции при наблюдении.  

• Парадокс Вигнера: суперпозиция сохраняется до тех пор, пока все участники эксперимента не узнают результат.  

• Для каждого участника эксперимента суперпозиция сохраняется до тех пор, пока он не узнает результат.  

• Измерение в квантовой механике разрушает суперпозицию.  

• Принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно измерить две величины одновременно с нулевой погрешностью.  

• Пример: координата частицы и ее импульс, энергия и время.  

• Наблюдение требует источника света для регистрации изменений.  

• Фотоны и электроны взаимодействуют, обмениваясь энергиями и импульсами.  

• Это объясняет, почему невозможно измерить все параметры одновременно с нулевой погрешностью.  

• Измерение состояния квантовой частицы изменяет её характеристики.  

• Невозможно одновременно точно измерить координату и импульс.  

• Вмешательство в систему изменяет её состояние.  

• Химические орбитали показывают области с высокой вероятностью обнаружения электрона.  

• Вероятность обнаружения электрона не равна нулю за пределами этих областей.  

• Физическое состояние должно быть локализовано, а не равновероятно распределено по всей вселенной.  

• Реальные волны имеют начало и конец, в отличие от гармонических волн.  

• Гармонические волны не затухают на бесконечности, что делает их нефизическими.  

• Реальные волны состоят из нескольких гармонических функций, что позволяет им быть локализованными.  

• Локализация волны приводит к неопределенности её импульса.  

• Чем больше локализация, тем больше неопределенность импульса.  

• Принцип неопределенности: невозможно одновременно точно измерить координату и импульс.  

• Спин — это новая квантовая степень свободы, не имеющая аналогов в классической механике.  

• Спин можно рассматривать как вращение вокруг своей оси.  

• Спин определяется количеством поворотов, необходимых для перехода тела в само себя.  

• Спин ноль: тело переходит в само себя при любом повороте.  

• Спин единица: тело переходит в само себя при повороте на 360 градусов.  

• Спин два: тело переходит в само себя при повороте на 180 градусов.  

• Спин квантовых частиц можно рассматривать как симметрию.  

• Спин электрона может быть полуцелым, что требует поворота на 720 градусов для самосовпадения.  

• Пример с лентой Мебиуса иллюстрирует, как спин может быть связан с поворотом на 720 градусов.  

• Спин можно рассматривать как вращение вокруг разных осей.  

• Проекции спина на разные оси связаны соотношением неопределенности.  

• В квантовой механике невозможно точно измерить две проекции спина одновременно.  

• Эйнштейн критиковал вероятностный характер квантовой механики.  

• Он считал, что детерминизм возможен при знании всех деталей эксперимента.  

• Квантовая механика утверждает, что вероятности остаются всегда и не могут быть устранены.  

• Эйнштейн предложил мысленный эксперимент для проверки детерминизма.  

• Частица с нулевым спином распадается на две частицы с суммарным нулевым спином.  

• Одна из частиц измеряется в магнитном поле, что позволяет определить проекцию спина другой частицы.  

• Частицы находятся в состоянии квантовой суперпозиции до измерения.  

• После измерения одной частицы, другая начинает иметь определенный спин.  

• Это нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, так как измерение одной частицы влияет на другую.  

• Измерение частицы А изменило состояние частицы Б, хотя они были в суперпозиции.  

• Это нарушает концепцию локального реализма и принцип неопределенности Гейзенберга.  

• Эйнштейн предположил, что это возможно только при наличии дальнодействия.  

• Для проверки парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена начали проводить эксперименты.  

• Белла предложил неравенство, которое либо выполняется, либо нарушается.  

• Нарушение неравенства означает наличие дальнодействия.  

• В 2010 году физики собрали установку на расстоянии 144 км.  

• Измерение одной частицы изменило состояние другой, что подтвердило нарушение неравенства Белла.  

• Частицы А и Б стали называться квантово запутанными.  

• Квантовая запутанность означает, что частицы А и Б остаются связанными, несмотря на расстояние.  

• Они всегда ведут себя как одно целое и описываются одной волновой функцией.  

• Это позволяет изучать квантовые системы и применять их в практических задачах.  

• Квантовая телепортация позволяет мгновенно копировать состояние частицы.  

• Это не телепортация в классическом смысле, а умелое уничтожение оригинала и мгновенное приготовление копии.  

• Квантовая телепортация используется в квантовых вычислениях и компьютерах.  

• Лектор надеется, что лекция вызвала интерес и понимание у слушателей.  

• Он подчеркивает важность квантовой запутанности для будущих исследований и технологий.