Эффект наблюдателя в квантовой физике

Квантовая физика является одной из самых молодых и, пожалуй, наиболее интересных для понимания и изучения наук.

Днём рождения квантовой физики признаётся 14 декабря 1900 года — момент, когда на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения будущий лауреат Нобелевской премии Макс Планк ввёл понятие кванта — неделимой порции определённой величины (чаще всего энергии).

К тому времени самым загадочным явлением в научных кругах всё ещё считался свет, о природе которого на протяжении нескольких веков продолжали спорить физики: даже после проведения знаменитого впоследствии опыта Юнга.

Именно благодаря дискуссиям о природе света учёным удалось открыть свойство квантово-волнового дуализма (корпускулярно-волнового дуализма), а после и эффект наблюдателя.

Эволюция представлений о природе света

Прежде чем установить явление корпускулярно-волнового дуализма, учёные-физики пытались по-своему толковать свет и его свойства.

Человек начал рассуждать о природе света ещё в доисторическом периоде. Тогда считалось, что свет является зрительным механизмом — он изображался как луч света, исходящий из глаза.

Четыре стихии Эмпедокла

Позднее, в пятом веке до нашей эры, древнегреческий учёный Эмпедокл развивал свою теорию о том, что всё, что нас окружает, состоит из четырёх стихий: земля, воздух, вода и огонь. В этой концепции свет представлял собой одну из разновидностей форм огня.

Эмпедокл предполагал, что из глаза свет направлялся к объекту, который человек видел. Солнце в этой системе играло лишь вспомогательную роль: оно не испускало свет как глазной огонь, но приводило в действие его путь.

Атомизм, Демокрит и Аристотель

Современник Эмпедокла Демокрит, древнегреческий философ и один из основоположников атомизма (теории, согласно которой вся существующая материя состоит из неделимых единиц вещества — атомов), считал, что свет, как и все окружающие нас предметы, состоит из частиц, подобных атомам.

Уже в четвёртом веке до нашей эры Аристотель, опираясь на представление о том, что вся материя состоит из четырёх элементов, думал, что свет — возбуждение воздушной стихии.

Диоптрика Декарта

Первое объяснение природе света, отдалённо напоминающее сформировавшуюся позже волновую теорию, дал Декарт в своём труде «Диоптрика» (1637 год). Он описывал свет так:

«Определённый вид движения, или быстрое и живое действие, которое передаётся нашим глазам через толщу воздуха и других прозрачных тел, подобно тому, как движение или сопротивление тел, с которыми сталкивается человек, передаётся его рукам посредством палки».

Можно наблюдать, что физики постепенно отходили от древнегреческой модели света как порождения той или иной первородной стихии (огня или воздуха). Начала складываться концепция понимания природы света как волны, а вместе с тем и противодействующая ей гипотеза потока частиц.

Корпускулярная и волновая теории света

Но настоящая борьба двух теорий началась в семнадцатом веке, когда в 1672 году Исаак Ньютон дал краткий ответ о результатах исследований, которыми он хотел опровергнуть предположение Декарта и доказать корпускулярную природу света. Этот ответ был опубликован в журнале «Философские труда Королевского общества» («Philosophical Transactions of the Royal Society»).

Заметка Ньютона в целом вызвала положительную реакцию, однако один учёный-физик резко высказался против теории Ньютона и написал объёмный отзыв с критикой, породив тем самым вражду длиною в жизнь. Автором данного критического ответа был Роберт Гук.

Гук настаивал, что, проведя те же опыты, получил диаметрально противоположный результат, поэтому подвергал сомнению заявление своего коллеги. На протяжении многих лет учёные-физики обменивались письмами, в которых старались защитить свою позицию: Ньютон отстаивал правдивость корпускулярной природы света, а Гук был уверен в справедливости волновой.

В итоге Гук, будучи уверенным в своей правоте, в 1760-е опубликовал волновую теорию света. Его идею продолжил развивать Христиан Гюйгенс и в 1790-е выпустил «Трактат о свете», в котором объяснил такие явления, как отражение и преломление.

На протяжении этого же периода времени Ньютон собирал, систематизировал и обобщал информацию о своей теории света, которую он изложил в своём труде «Оптика», выпущенном в 1704 году.

Описывая свет как корпускулы, Ньютон решил, что свойства света лучше всего объясняются рассмотрением света как потока частиц. Например, явление преломления происходило вследствие изменения частицей направления своего движения из-за воздействия на неё внешних сил.

Преломление — свойство света, приводящее к изменению направления луча при переходе из одного вещества в другое.

Корпускулярная теория также объясняла отражение, которое являлось столкновением светового луча с поверхностью определённого вещества и дальнейшим отталкиванием от неё.

Можно заключить, что и волновая, и корпускулярная теории имели свои плюсы и минусы — достоинства и недоработки.

Благодаря авторитету Исаака Ньютона большинство научного сообщества продолжало считать свет потоком частиц, хотя сторонники волновой теории также проводили исследования в доказательство справедливости своей точки зрения. И один из таких экспериментов просто перевернул мир.

Опыт Юнга с двумя щелями и явление интерференции

В 1801 году Томас Юнг провёл свой знаменитый эксперимент с двумя щелями. Он создал конструкцию с двумя узкими щелями, через которые проходили лучи света и попадали на лист бумаги, охватывая его полностью. Юнг увидел на листе бумаги светлые и тёмные полосы, что свидетельствовало о наличии у света явления интерференции.

Интерференция — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.

Световые волны, исходящие из двух щелей, интерферировали друг с другом (накладывались друг на друга), вследствие чего на экране появлялись светлые полосы (усиливающая интерференция) и тёмные полосы (ослабляющая интерференция).

Опыт Юнга изменил сознание современников — с того момента весь научный мир считал свет волной и продолжал развивать и дорабатывать эту теорию, закрывая пробелы и разрешая парадоксы. Оставалось дать объяснение многим деталям, наиболее таинственной из которых оставался вопрос о прохождение волн сквозь пустое пространство, в частности через космический вакуум, так как для их распространения нужна среда.

Учёные начали совершенствовать старую теорию невидимого эфира, заполняющего собой всё пространство. Эфир должен был представлять собой вещество, не оказывающее сопротивления проходящим через него объектам, но в то же время способное переносить свет на огромные расстояния, измеряющиеся миллионами километров.

Параллельно с развитием и поиском подтверждения теории эфира сторонники концепции волновой природы света продолжали доказывать её справедливость. Очередным указанием стало определение скорости света в разных средах.

Согласно корпускулярной теории скорость света должна увеличиться при переходе из менее плотной среды в более плотную. Однако исследования Жана Бернарда Леона Фуко и Армана Ипполита Луи Физо показали обратный результат, что соответствовало волновой природе света.

Свет как электромагнитная волна и фотоэлектрический эффект

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свой двухтомный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором описал свет как электромагнитную волну и смог рассчитать его скорость:

Она (подразумевается вычисленная скорость) настолько близка к скорости света, что кажется, будто мы имеем серьёзное основание заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и другие виды излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн.

Однако теория Максвелла имела недостаток — она строилась на модели механического эфира. В 1887 году Альберт Майкельсон и Дэвид Морли провели опыт, желая доказать существование эфира, но результат оказался диаметрально противоположным. Тогда учёным-физикам пришлось обратиться к концепции Майкла Фарадея о существовании электрических и магнитных полей.

Теорию Максвелла собирался подтвердить Генрих Рудольф Герц, но открыл явление фотоэффекта, которое заставило научное сообщество вспомнить о существовании корпускулярной теории света.

Эйнштейн объясняет фотоэлектрический эффект

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка (энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами).

Фотоэлектрический эффект — явление вылета электрона из твёрдых и жидких тел под воздействием электромагнитного излучения.

Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества.

Читайте также: Эйнштейн о Боге и религии.

При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость. Формула:

где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.

Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:

• Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
• Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
• Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.

В итоге физики смогли прийти к заключению и открыли новое явление: корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярно-волновой дуализм (квантово-волновой дуализм) — явление, заключающееся в том, что материальные объекты при одних определённых условиях ведут себя как классические волны, а при других — как классические частицы.

В 1923 году Луи де Бройль предположил, что не только свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом — но и элементарные частицы.

Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как частицы, обладающие определёнными энергиями и импульсами, а в других — как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Наукой, которая рассматривает объекты с точки зрения квантово-волнового дуализма, стала квантовая механика.

Материал по теме: Квантовая физика для начинающих.

Чтобы наглядно представить явление квантово-волнового дуализма, вернёмся к уже знакомому нам эксперименту Томаса Юнга — опыта с двумя щелями.

Через щели теперь будут пропускать лишь одну элементарную частицу — электрон. Квантовая механика демонстрирует нам удивительную картину: пока данная элементарная частица не попадёт на экран, она не будет занимать определённого положения в пространстве.

Частица не летит по какой-либо траектории — её «путь» представляет собой систему эволюционирующего набора вероятностей того, какими путями она может двигаться. В данный момент времени эта частица находится нигде. А когда мы начинаем непосредственное наблюдение, мы видим мы её лишь в одном из всех возможных положений.

Здесь мы и знакомимся с эффектом наблюдателя.

Эффект наблюдателя простыми словами

Эффект наблюдателя — теория, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.

В квантовой механике термин «наблюдатель» используется в значении, когда мы что-то измеряем. Если в макромире нам достаточно применить какой-либо измерительный прибор (например, нам нужно узнать длину простого карандаша — мы используем для этой цели линейку), чтобы узнать точное или приблизительное значение, то в микромире любая попытка наблюдения (измерения) изменит квантовую систему.

Проще всего это демонстрируется при помощи мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера.

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда.

Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50.

Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив.

Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно. Когда же мы открываем ящик, то видим перед собой кота лишь в одном из возможных состояний.

Более поздние исследования показали, что наблюдение как изменение свойств объектов микромира распространяется не только на одну конкретную частицу, но и на другие объекты, находящиеся во взаимодействии с ней. Из этого следует эффект квантовой запутанности. Вкратце это:

Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий.

Заключение

Эффект наблюдателя, безусловно, входит в разряд величайших научных открытий, изменивших мир, как и вся квантовая физика.

Если сравнить взгляды на разные явления, которые встречаются в нашей жизни повседневно, с взглядами на них древнегреческих философов или научных деятелей семнадцатого века, то станет ясно, что современная наука проделала огромный путь.

Мы смотрим на мир другими глазами, зная о новейших научных открытиях и экспериментах. Конечно, квантовой физике ещё предстоит решить множество парадоксов и найти ответы на сложные вопросы. Для этого необходимо изучать науку — вы, кстати, можете ознакомиться с фундаментальными трудами ниже (после Q&A) и изучить вопрос основательнее.

Эффект наблюдателя — простые ответы на сложные вопросы

Что почитать об эффекте наблюдателя

1. «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б., Форшоу Д.
2. «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
3. «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
4. «Физика и философия. Часть и целое» — Вернер Гейзенберг
5. «Pro парадоксы науки», «Великая квантовая революция» — О.О. Фейгин
6. «Квантовая теория поля» — Стивен Вайнберг
7. «Квантовая механика. Теоретический минимум» — Арт Фридман, Леонард Сасскинд
8. «Начала квантовой механики» — Поль Дирак

Что посмотреть об эффекте наблюдателя

• «Тайны квантовой физики / The Secrets of Quantum Physics». BBC
• «Квантовая физика невозможного: Нарушая временные границы». Discovery
• «Квантовая революция»
• «Физика света. Свет и квантовая физика»