Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Пространственные составляющие магнитного момента обозначаются как µ_x, µ_y, µ_z. Когда стрелка компаса сориентирована в определенном направлении, то четко определены и все три составляющие ее магнитного момента. В отличие от компаса, электрон или нейтрон являются объектами, принадлежащими к квантовому миру. Для них может быть измерена только одна из трех составляющих магнитного момента, при этом она способна принимать только два противоположных значения: –µ или +µ. Это, казалось бы, парадоксальное утверждение было подтверждено экспериментально: первыми опытные данные, говорящие в пользу квантования магнитного момента представителей квантового мира, еще в 1922 году получили Отто Штерн и Вальтер Герлах. В своих экспериментах они направляли пучок атомов серебра (которые благодаря электронам внешней оболочки обладают магнитным моментом) сквозь неоднородное магнитное поле. В результате было обнаружено, что этот пучок разделяется строго пополам, что и доказывает квантование магнитного момента всего на два дискретных значения (илл. 8). Действительно, если бы магнитный момент мог принимать хотя бы три значения, то и пучок делился бы натрое, а если бы магнитный момент атомов серебра мог меняться непрерывно, то и пучок просто расходился бы в конус.

Еще несколько слов о пучке атомов серебра. Выберем ось x вдоль направления магнитного поля. Тогда существует такое состояние атома серебра, в котором µ_x = –µ, и другое, в котором µ_x = +µ. Существует также состояние, при котором µ_y = µ. Что произойдет, если частица находится в этом состоянии и измеряется компонент µ_x? Измерение с равной вероятностью даст µ_x = –µ или µ_x = +µ. Таким образом, среднее значение всех измерений µ_x, которые можно произвести в состоянии µ_y = µ, равно нулю. То же самое относится к среднему значению всех измерений µ_x в состоянии µ_y = –µ. Чтобы принять в расчет эти свойства, в квантовой механике считается, что состояние µ_y = µ является «соединением» состояний µ_x = –µ и µ_x = µ.

Если частица находится в состоянии с µ_x = µ, магнитный момент получится ±µ с той же вероятностью, и поэтому среднее значение большого числа мер будет равно нулю. Это то же самое из средних измерений, которые можно выполнить с магнитным моментом в состоянии µ_x = –µ. Чтобы понять значение этого свойства в рамках квантовой механики, утверждается, что состояние µ_y = µ на самом деле представляет собой смесь состояний, имеющих µ_x = + µ и µ_x = –µ.

Результат, предсказываемый классической физикой: непрерывная линия.

8. Принцип опыта Штерна – Герлаха. Атомы серебра проходят через вертикально направленное неоднородное магнитное поле. Согласно классической физике, пучок частиц с непрерывным распределением магнитного момента должен расходиться конусом. Опыт же показывает, что он делится на две компоненты

Кот Шрёдингера

Концепция «смешения состояний» очень хорошо описывает реальность в масштабе атомного мира. Интересно попробовать распространить ее действие на мир макроскопический. Один из примеров привел Шрёдингер. Он заметил, что, подобно тому как магнитный момент в рамках квантовой механики может принимать два различных значения, так и обычный кот при расширении последней до масштаба комнаты может находиться в двух состояниях: быть и живым и мертвым одновременно (илл. 9)! Если мы открываем дверь в комнату, мы с равной вероятностью ¹/₂ можем обнаружить как мертвого, так и живого кота, но пока дверь закрыта, кот одновременно и жив и мертв (см. врезку).

9. В мысленном эксперименте Шрёдингер представил себе кота, запертого в герметичной коробке. Устройство, принцип действия которого основан на случайном распаде радиоактивного атома, может разбить колбочку с ядом. По истечении заданного времени вероятность распада атома составляет ¹/₂. До тех пор пока наблюдатель не откроет коробку, квантовая механика утверждает, что атом одновременно и распался и не распался, следовательно, и кот теоретически и жив и мертв

«Это же абсурдно! – может решить читатель. – На самом деле кот либо жив, либо мертв и до открытия двери, неважно, знаем ли мы его состояние». Такое понимание рассматриваемой ситуации базируется на иной, некогда существовавшей интерпретации квантовой механики, основанной на понятии скрытого параметра. Согласно этой концепции, описание мира является детерминистичным, однако некоторые параметры, необходимые для его реализации, оказываются нам недоступными. Современная наука опровергает эту концепцию. Но все же индетерминизм квантовой физики порождает парадоксы, которые интуитивно сложно принять. Опишем один из них.