Что такое суперпозиция частиц?

Принцип суперпозиции — фундаментальный принцип квантовой механики, объясняющий неопределенное состояние квантовых систем и интерференционные эффекты. Узнайте о применении принципа суперпозиции в различных областях физики, включая квантовую механику, оптику и квантовую информацию. | NOCFN

Принцип суперпозиции — фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому, если для некоторой квантовой системы допустимы состояния Ψ₁ и Ψ₂, то допустима и любая их линейная комбинация Ψ₃=c₁Ψ₁+c₂Ψ₂; она называется суперпозицией состояний Ψ₁ и Ψ₂ (принцип суперпозиции состояний).

Если измерение какой-либо физической величины f в состоянии |Ψ₁⟩ всегда приводит к определённому результату f₁, а в состоянии |Ψ₂⟩ — к результату f₂, то измерение в состоянии |Ψ₃⟩ приведёт к результату f₁ или f₂ с вероятностями |c₁|² и |c₂|² соответственно.

Из принципа суперпозиции следует, что все уравнения, которым подчиняются волновые функции (например, уравнение Шрёдингера) в квантовой механике должны быть линейными.

Квантовая суперпозиция — основа квантовой механики

Квантовая механика, зародившаяся в начале XX века и окончательно сформировавшаяся в 1930-х годах, сейчас является хорошо проверенной и чрезвычайно успешной физической теорией. Наша цивилизация немыслима без технических достижений, обязанных своим появлением именно ей. Достаточно упомянуть, что компьютер, ноутбук или смартфон, с помощью которых вы читаете этот текст, никогда бы не были созданы, если бы не было квантовой механики.

Принцип суперпозиции в квантовой механике означает, что квантовая система может находиться в неопределенном состоянии, представленном суперпозицией нескольких состояний. Например, в квантовой системе можно иметь состояние Ψ₁ и состояние Ψ₂, а также суперпозицию этих состояний Ψ₃ = c₁Ψ₁ + c₂Ψ₂, где c₁ и c₂ - комплексные числа. Важно отметить, что измерение физической величины в состоянии суперпозиции приведет к определенному результату с вероятностью, определенной амплитудами c₁ и c₂.

Принцип суперпозиции является одним из наиболее фундаментальных и загадочных принципов квантовой механики. Он позволяет объяснить интерференционные эффекты и поведение квантовых систем, которые не имеют аналогов в классической физике.

Применение принципа суперпозиции в физике

Принцип суперпозиции находит широкое применение в различных областях физики, включая:

• Квантовая механика: принцип суперпозиции состояний является основой этой теории и помогает объяснить поведение частиц на микроскопическом уровне.
• Оптика: суперпозиция световых волн приводит к интерференционным эффектам и образованию дифракционных решеток.
• Квантовая информация: использование квантовой суперпозиции позволяет создавать квантовые биты (кьюбиты) и проводить квантовые вычисления.

Заключение

Принцип суперпозиции частиц является основополагающим принципом квантовой механики. Он позволяет описывать неопределенное состояние квантовых систем и объясняет различные интерференционные и дифракционные эффекты. Принцип суперпозиции находит применение в различных областях физики, от микромасштабных частиц до квантовых информационных технологий.

Что нам скажет Википедия?

Принцип суперпозиции — фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому, если для некоторой квантовой системы допустимы состояния Ψ1 и Ψ2, то допустима и любая их линейная комбинация Ψ3=c1Ψ1+c2Ψ2; она называется суперпозицией состояний Ψ1 и Ψ2 (принцип суперпозиции состояний).

Если измерение какой-либо физической величины f в состоянии |Ψ1⟩ всегда приводит к определённому результату f1, а в состоянии |Ψ2⟩ — к результату f2, то измерение в состоянии |Ψ3⟩ приведёт к результату f1 или f2 с вероятностями |c1|² и |c2|² соответственно.

Из принципа суперпозиции следует, что все уравнения, которым подчиняются волновые функции (например, уравнение Шрёдингера) в квантовой механике должны быть линейными.

Значение любой наблюдаемой (например, координаты, импульса или энергии частицы), полученное в результате измерения, является собственным значением оператора этой величины, соответствующим конкретному собственному состоянию этого оператора, то есть определённой волновой функции, действие оператора на которую сводится к умножению на число — собственное значение.

Важными следствиями принципа суперпозиции являются различные интерференционные эффекты (см. опыт Юнга, дифракционные методы), а для составных систем — зацепленные состояния.

Принцип суперпозиции, как и вообще квантовая механика, применим не только к микро-, но и к макрообъектам. Это может выглядеть парадоксально с точки зрения нашего повседневного жизненного опыта. Известной иллюстрацией является мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, в котором возникает квантовая суперпозиция живого и мёртвого кота.

Квантовую суперпозицию (суперпозицию «волновых функций»), несмотря на сходство математической формулировки, не следует путать с принципом суперпозиции для обычных волновых явлений (поля).

Также квантовую (когерентную) суперпозицию не следует путать с так называемыми смешанными состояниями (см. матрица плотности) — «некогерентной суперпозицией».