Хорошо, когда нам простыми словами объясняют сложные вещи, правда? Особенно когда речь про такие неочевидные эффекты как квантовая запутанность, суперпозиция и прочее квантовое. А как здорово, когда квантовый эффект можно увидеть своими глазами! Нам всего-то нужны три простые советские поляризующие пластинки...
...и вот, вот это серое окошко на пересечении пластинок—квантовый эффект! По крайней мере, так твердит нам научпоп. This is weirder than you think! Но это неправда, и я расскажу почему.
Возьмем пример такого видео, которое было супер популярным (можете не смотреть, оно не очень):
Bell's Theorem: The Quantum Venn Diagram Paradox
Оно начинается с того, что “если у вас есть поляризующие очки, у вас есть квантовый измеритель”. Потом они показывают картинку, где посерединке оказывается слегка пропускающее окошко, как на КДПВ. И говорят: “А вот тут начинаются квантовые странности”.
И дальше они начинают рассказывать, что там происходит квантовая запутанность, ЭПР-парадокс и прочее квантовое веселье. Так что вы буквально у себя на коленке наблюдаете квантовые эффекты и доказываете неравенства Белла!
Давайте сразу расставлю все точки над i: на фундаментальном уровне, конечно, все эти процессы квантовые. Но мы часто говорим о классической физике: такой, где количество частиц велико и все процессы приблизительно описываются классическим образом. Довольно просто показать, что и эксперимент в сабже — исключительно классический эффект, который не требует никакой запутанности и прочих странностей. Да, если вы проведете такой эксперимент в лаборатории с одиночными фотонами и хорошо откалиброванными детекторами, то вам придется привлечь квантовую запутанность и прочие прелести. Но это не значит, что ваши очки — квантовый девайс.
Итак, что же тут происходит?
Мы проводим эксперимент с поляризацией света. Вообще свет — колебания электромагнитного поля, то бишь волна. Когда мы светим, например, лазером в определенную сторону, электрическая волна колеблется в определенной плоскости (магнитная тоже — в перпендикулярной). Вот эта плоскость колебаний и задает поляризацию — например, относительно земли. Если плоскость параллельна земле, мы говорим о горизонтальной поляризации, если перпендикулярна — о вертикальной. Она может быть и любого другого угла.
Вообще говоря, поляризация может быть еще эллиптической (это когда плоскость поляризации вращается) или свет может быть не поляризован (т.е. поляризация хаотична). Неполяризованный свет обычно испускается природными источниками, типа звезд, где каждый атом испускает фотоны случайным образом. Но такие детали нам не пригодятся.
Второй герой нашей истории — поляризатор, он же поляризующий фильтр. Они бывают разные, но мы будем говорить о пластинке, которая пропускает свет только определенной поляризации (и поглощает остальной). Скажем, если у нас свет горизонтальной поляризации, а мы поставим вертикальный фильтр, весь свет поглотится. Будем обозначать соответствующие фильтры и поляризации как Г и В.
Теперь проведем эксперимент: возьмем солнечный свет и посветим им через Г поляризатор. Изначально поляризация света была случайной, так что фильтр пропустит какое-то количество света в Г поляризации. После фильтра поляризация строго задана. Теперь поставим второй фильтр — вертикальный. Так как у нас свет в Г поляризации, никакой свет проходить не будет. Можете провести такой опыт прямо сейчас: возьмите пару поляризующих очков, поставьте их перпендикулярно друг другу и посмотрите сквозь них — вы почти ничего не увидите (фильтры в очках не идеальные, так что какое-то количество света все же пройдет).
А теперь — главный “парадоксальный” шаг. Между Г и В фильтром поставим фильтр под 45 градусов. И — о магия! — через фильтры теперь проходит много света!
Как же так? В этот момент и случается обман. Ну не обман, а недобросовестность научпопа. Они начинают говорить про квантовую запутанность. Мол этот эффект — проявление суперпозиции между состояниями фотона, который одновременно оказывается в нескольких поляризациях…бла-бла-бла. Потом появляется теорема Белла и прочие сложные концепции. Я не буду повторять аргумент, если очень хотите — посмотрите видео, но распространять глупости не хочу. Там все очень загадочно, а главное — вы можете видеть проявление квантовости своими собственными глазами.
Что же тут происходит на самом деле?
Самый важный момент: какой бы ни была изначальная поляризация, после фильтра она преобразуется в волну в той поляризации, в которой выставлен фильтр, теряя в интенсивности. Например, если у нас волна Г поляризации и фильтр под 45°, после фильтра у нас останется 71% интенсивности света в 45° поляризации.
Откуда взялись 71%? Любая волна может быть представлена как сумма двух других волн. И это "представлена" значит, что мы физически не можем увидеть разницы между одной волной и суммой двух. Так что мы представляем волну в Г поляризации как взвешенную сумму волн совпадающей с направлением поляризатора θ и ортогональную ей:
Такой трюк называется разложением по базису (в данном случае базис выбран относительно направления оси поляризатора).
Поляризатор пропускает только первую часть, поглощая вторую. Получается, что какой бы ни была поляризация на входе, мы всегда можем ее представить как сумму поляризации в плоскости фильтра и в ортогональной ей. Кажется, что прошедшая волна "поворачивает" свою поляризацию так, чтобы совпасть с углом фильтра. При этом она теряет в интенсивности (она меняется по закону Малуса):
Отсюда, кстати, видно, что при 90° фильтр полностью отфильтрует весь свет.
Итак, в эксперименте первый фильтр создает линейную Г поляризацию из неполяризованного света. В первой конфигурации, когда у нас всего два фильтра, второй фильтр оказывается под 90° относительно этой поляризации. Во второй поляризации, второй фильтр расположен под 45° и после него остается 71% света в поляризации в 45°. Третий фильтр оказывается под 45° относительно этого отфильтрованого света и он снова фильтрует 71%. Т.е. после третьего фильтра мы получаем 50% света (0.71*0.71≈0.5).
Так что не верьте всему, что пишут в научпопе. Им часто занимаются неспециалисты, а специалисты часто находят неверные аналогии в попытке донести сложную физику “на пальцах” (знаю по себе).
Я продолжаю писать про свою жизнь в науке, квантовую физику и гравитацию, и устройство академии в целом в канале Гомеостатическая Вселенная, залетайте обсудить всякие интересные штуки.
Комментарии (129)
Pan_RD
26.12.2023 20:54+10Научпоп на Ютубе в целом - стократное повторение одного и того же всеми "научпоперами", как правильно без внесения новой информации. А зачастую и вовсе без научной составляющей.
Radisto
26.12.2023 20:54Если бы научпопом занимались сами ученые, возможно, ситуация стала бы лучше. А так это зачастую случайные люди, которые иногда не знают предмета вовсе. Чего от них ждать
zlat_zlat
26.12.2023 20:54+10Далеко не все ученые способны объяснять интересно и на уровне обывателя. Ещё меньшему количеству это занятие интересно.
red75prim
26.12.2023 20:54+1Есть и нормальные научпоперы на ютюбе, например "The Science Asylum". Найти их сложно, конечно.
vanxant
26.12.2023 20:54+4На самом деле, для квантового объяснения эффекта также не нужны никакие запутанности. По крайней мере, дедушке Фейнману. Формулы у него те же самые, только описывают единичные фотоны.
Astroscope
26.12.2023 20:54+1Если кому-то сложно со светом - пробуйте радиоволны. Они, пусть и не видны буквально глазами, но в некотором смысле нагляднее. Та же поляризация - без этого вашего корпускулярно-волнового дуализма и прочих довольно трудных для полноценного понимания странностей. И да, что не видны буквально глазами, так это наоборот хорошо - не будет ложных подсказок от "здравого смысла", который не всегда работает правильно даже в бытовых вопросах - тех, для которых он более-менее и предназначен.
miekrudakov
26.12.2023 20:54+8Простыня текста длиной с формулами и циферками не объясняет, какого художника 3 фильтра пропускают больше света, чем 2.
mayorovp
26.12.2023 20:54+5Да вроде же всё понятно?
Если поворачивать два раза на меньший угол - теряется меньше энергии чем при повороте один раз на больший.
Схожим явлением ещё парусники пользуются. Если поставить парус под прямым углом к ветру - ничего не получится, если поставить парус под прямым углом к кораблю - тоже. А если поставить и то, и другое под 45 градусов - можно без проблем идти перпендикулярно ветру.
Да и поезда поворачивают по большим дугам не просто так.
miekrudakov
26.12.2023 20:54+4Причем тут паруса. В классической физике фильтр может только поглощать свет.
mayorovp
26.12.2023 20:54+1Фильтр может менять характеристики света, в частности поляризатор меняет поляризацию.
Что можно рассматривать как поворот плоскости поляризации с потерей энергии.
Radisto
26.12.2023 20:54+1фильтр может только поглощать свет
По отношению к абсорбционному светофильтру - да, но тут - нет. Поляризатор - это не фильтр. Это поляризатор
ksbes
26.12.2023 20:54+6Поляризатор - это именно фильтр. Он поглощает свет определённой поляризации. Он нагревается от этого. Это фильтр.
vvzvlad
26.12.2023 20:54Ну картинка же с тремя фильтрами опровергает ваши слова.
Cerberuser
26.12.2023 20:54Неа. Она показывает, что степень поглощения не фиксирована для конкретного фильтра, а зависит от характеристик падающего света.
ra3vdx
26.12.2023 20:54Поезда могут поворачивать по другой причине. Особая форма рельс и колёс тележки.
Serge3leo
26.12.2023 20:54Мало того, пропускание зависит от взаимного порядка этих 3-х фильтров. ????
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+4Фильтр не просто фильтрует свет на 100%, если его поляризация не совпадает с фильтром, а поворачивает его поляризацию и частично пропускает. Два фильтра под 90° полностью блокируют пропускание. А три фильтра идут один за другим под 45°, так каждый из них пропускает часть и поворачивает ее поляризацию.
Arastas
26.12.2023 20:54Меня всегда смущало слово «поворачивает» - в нем как будто есть активное действие, привнесение чего-то в сигнал, чего там не было. В то время как там только обнуление ортогональной компоненты, то есть разложение.
MiyuHogosha
26.12.2023 20:54Самое смешное, скорее всего вы читаете этот текст с помощью таких фильтров. Ведь tft- дисплеи работаютна схожем принципе.
kometakot
26.12.2023 20:54+1Интересно, а это как-нибудь применяется? Например, освещение в темноте "чёрным" светом, который видно в поляризационных очках?
mayorovp
26.12.2023 20:54+4"Чёрного" света не бывает, если свет находится в видимом диапазоне - он будет видим.
А если вы спрашивали про поляризацию вообще - вполне возможно, вы сейчас читаете этот комментарий через два поляризатора.
Dr_Faksov
26.12.2023 20:54+1Точно 2 а не 3? Один отключаемый вроде. Местами.
mayorovp
26.12.2023 20:54Да вроде два. Один ЖК, а второй статический. Третий-то зачем?
amphasis
26.12.2023 20:54+2Два статических с обеих сторон от ЖК. ЖК "поворачивает" поляризацию света, прошедшего через первый поляризатор.
PS. Не думаю, что сам ЖК можно считать третьим поляризатором.
mayorovp
26.12.2023 20:54Да, и правда.
Почему-то пока я не прочитал ваш комментарий, про устройство дисплеев гуглилась только какая-то чушь...
MiyuHogosha
26.12.2023 20:54Ну, в активированном состоянии он им является. Схожими свойствами обладают некоторые материалы используемые в свч технике - там М поле в среде делает ее поляризатором, за счет чего можно добить и эллептической поляризации.
mayorovp
26.12.2023 20:54А можно подробнее? Что-то по запросу "жидкий кристалл активированное состояние" лишь какая-то ерунда гуглится...
MiyuHogosha
26.12.2023 20:54тот мифический черный свет (blacklight) - это старинный термин для излучения субоптического диапазона (напрмер суб-УФ), которое можно "видеть" с помощью специальных экранов или датчиков. К поляризации отношения не имеет.
Astroscope
26.12.2023 20:54Освещение - это, в конечном итоге, восприятие глазом (камерой, etc.) отраженного от наблюдаемых объектов света. Ну а где отражение от диэлектрика - там и поляризация, читай четвертый поляризационный фильтр под случайным углом к имеющимся в статье трем. Не уверен насчет практической ценности даже в каких-то экзотических случаях.
kometakot
26.12.2023 20:54+1А впрочем вспомнил, в чём там кажущийся парадокс. От перестановки порядка фильтров всё меняется, и "чёрный свет" от двух перпендикулярных поляроидов, не становится серым, впоследствии пройдя через третий. А вот то, что общую прозрачность трёх фильтров можно поменять, просто расставляя их в разном порядке (не поворачивая при этом) - уже немного контринтуитивно.
mayorovp
26.12.2023 20:54+3Ну, если переставить местами участки ж/д пути (сначала прямой, потом перпендикулярный ему, а затем соединяющую их дугу) - поезд тоже проехать не сможет, только почему-то парадоксом это никто не называет...
kometakot
26.12.2023 20:54В случае с оптикой, это уже не так тривиально звучит. Пускай и существуют механические и гидравлические клапана, пропускающие поезда/жидкости в одном направлении, и не пропускающие обратно, но в оптике-то нет такой вещи, как истинное одностороннее зеркало или фильтр, пропускающие свет только в одну сторону.
А вот если представить такую схему с комнатой, освещённой поляризованным светом, и с составным стеклом посреди неё, одна часть которого будет поляризована перпендикулярно свету в комнате, а другая - под углом в 45%, то, выходит, это стекло будет пропускать свет только в одну сторону. Это, конечно, в основном не сработает, из-за сброса поляризации на матовых поверхностях, и изменения угла на глянцевых.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54но в оптике-то нет такой вещи, как истинное одностороннее зеркало или фильтр, пропускающие свет только в одну сторону.
Вообще, есть: от обычных циркуляторов или изоляторов, которые разделяют путь "обратно" в другую сторону, до "невзаимных" (non-reciprocal) девайсов, которые пропускают только в одну сторону.
и изменения угла на глянцевых.
Если что, угол линейной поляризации не изменится при отражении.
kometakot
26.12.2023 20:54циркуляторов или изоляторов
И это пассивные устройства? А можно про них поподробнее? А то я считал, что такое будет противоречить второму началу термодинамики, подобно демону Максвелла.
не изменится при отражении
Зато его геометрическое положение изменится.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54И это пассивные устройства?
Простые изоляторы — пассивные, это просто поляризационный делитель луча и клетка Фарадея. Они полностью блокируют луч, проходящий в обратном направлении.
"невзаимные" девайсы обычно активные.
Зато его геометрическое положение изменится.
В каком смысле? Допустим, мы поставили зеркало после фильтра. Отраженная поляризация будет такой же, как входящая.
kometakot
26.12.2023 20:54поставили зеркало после фильтра. Отраженная поляризация будет такой же, как входящая.
Да, если плоскость зеркала перпендикулярна лучу зрения. Но освещённые объекты будут состоять из множества глянцевых поверхностей, расположенных под произвольным углом.
полностью блокируют луч, проходящий в обратном направлении
Теперь мне непонятно, почему бы тогда не замостить такими изоляторами чёрный ящик, чтобы лучи выходили наружу но не попадали внутрь, поместить в этот ящик кирпич, подождать, пока этот кирпич не остынет ниже температуры окружающей среды, посредством излучения своего тепла, и потом вырабатывать электроэнергию, поместив между кирпичом и внешней стенкой ящика термопару?
Cerberuser
26.12.2023 20:54почему бы тогда не замостить такими изоляторами чёрный ящик, чтобы лучи выходили наружу но не попадали внутрь
Потому что луч, не попавший внутрь - это луч, поглощённый изолятором (и, соответственно, нагревший его).
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+1Фильтр — не просто полупропускающая пластинка, он меняет состояние поляризации света. Поэтому в зависимости от ориентации пластинки результат оказывается разным и порядок имеет значение.
me21
26.12.2023 20:54Предлагалось как-то в автомобильные фары и стекла ставить поляризатор под 45 градусов к вертикали. Тогда фары встречных машин видны не будут, и слепить водителя тоже не смогут.
Astroscope
26.12.2023 20:54+3Анекдот в тему статьи. На полном серьезе один знакомый сокрушался, что из-за непонятных, наверное сугубо бюрократических причин, не дают ход гениальному изобретению, о котором знакомому поведал не знаю уж кто, возможно сам автор изобретения: чтобы не ослеплять встречных водителей, свет фар нужно сделать вертикально поляризованным, а стекла - пропускающими горизонтально поляризованный свет. Ну или наоборот, лишь бы у всех одинаково.
Survtur
26.12.2023 20:54+2С ходу не могу понять, почему не будет работать. Сам свет своих фар не увидишь? Или что?
Moog_Prodigy
26.12.2023 20:54+2Не увидишь ни свой свет фар, ни свет фар других водителей. А это настолько опасно, что даже анекдотично. Ну, хоть слепить не будет =)
mayorovp
26.12.2023 20:54+2Ну, если невидимые фары других водителей будут проблемой - всегда можно добавить передние габаритные огни. Вот невидимый свет своих собственных фар...
Тут лучше сделать поляризацию под 35 градусов, одинаковую как на фарах так и на стекле. Тогда свои фары будут прекрасно видны, а встречные будут ослаблены (но не до полностью). Но это будет дорого, и никак не защитит от идиота, поставившего себе фары по-ярче.
Survtur
26.12.2023 20:54+5Про невидимый свет собственных фар. Свет при отражении от матовых поверхностей снова становится непорялизованным, так что большую часть объектов в свете своих фар мы увидим. Возможно будут проблемы с определённой ориентацией катафотов...
Moog_Prodigy
26.12.2023 20:54Такое на военной технике есть. Используются свойства воды при отражении менять поляризацию. Вода в этом случае - лужи, деревья после дождя, река рядом. Зачем - точно не скажу, но такое есть.
ksbes
26.12.2023 20:54Такое и на почти каждой бензоколонке есть - продаются поляризационные очки, чтобы отражённый от поверхностей яркий солнечный свет, а так же свет фар в мокрую погоду не слепил. Реально помогают.
Vitter
26.12.2023 20:54Ну в таком случае смешно.
А если на стёкла и фары наклеить лишь "по часовой стрелке" круговой поляризации фильтры, то для себя всё излучение видно (ну, кроме половины, что задерживается фильтром на фарах). А вот для водителей напротив твоё освещение полностью разворачивается на "против часовой стрелки" и блокируется.
Fasterpast
26.12.2023 20:54+2А отраженный свет не меняет поляризацию? Я думаю, смысл этой идеи как раз такой. Но практически не реализуемо все равно, ибо как минимум, надо будет фары раза в два ярче делать, и тогда бедолага без фильтра в стекле и пешеходы начнут страдать.
Gudd-Head
26.12.2023 20:54+3Помнится, ещё в школе (?) была такая задачка - посчитать, сколько света пройдёт через 3 фильтра, где на 45° повёрнут каждый следующий относительно предыдущего.
Akina
26.12.2023 20:54Поневоле возникает вопрос...
В исходном солнечном свете присутствуют волны с любым углом поляризации (что, кстати, явно описано в тексте). Рисунок же в статье показывает только чисто горизонтальную и чисто вертикальную, начисто игнорируя остальные. Но давайте добавим туда ещё волну с углом поляризации в 45°. Первый фильтр, как опять же говорится в статье, его частично пропустит. Ну, скажем, половину. Или треть - не суть. Сколько-то. Второй фильтр эту прошедшую через первый фильтр часть тоже пропустит, ибо по отношению к нему эта волна тоже повёрнута на 45°. Ну пусть ещё что-то задержится. Но ведь какая-то часть этой исходной волны должна была пройти через два поляризационных фильтра с взаимноперпендикулярной поляризацией... вроде бы... однако после двух фильтров мы наблюдаем ну совершенно чёрное поле.
Почему? что случилось с исходной волной, поляризованной под 45°? неужели первый фильтр её "подрихтовал" и довернул до своей поляризации и соответственно до 90° по отношению ко второму фильтру?
mayorovp
26.12.2023 20:54+1Почему? что случилось с исходной волной, поляризованной под 45°? неужели первый фильтр её "подрихтовал" и довернул до своей поляризации и соответственно до 90° по отношению ко второму фильтру?
Именно так он и сделал.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+1Но давайте добавим туда ещё волну с углом поляризации в 45°. Первый
фильтр, как опять же говорится в статье, его частично пропустит. Ну,
скажем, половину.71%, как написано в статье:) Но так все верно.
Но ведь какая-то часть этой исходной волны должна была пройти через два
поляризационных фильтра с взаимноперпендикулярной поляризациейПочему? Первый фильтр поворачивает волну из 45° в Г поляризацию, например. Второй фильтр под В поляризацией полностью ее отрежет.
неужели первый фильтр её "подрихтовал" и довернул до своей поляризации и соответственно до 90° по отношению ко второму фильтру?
Именно так, фильтр вращает поляризацию.
ksbes
26.12.2023 20:54Да, если вы проведете такой эксперимент в лаборатории с одиночными фотонами и хорошо откалиброванными детекторами, то вам придется привлечь квантовую запутанность и прочие прелести.
А вот стало интересно - а можно ли вообще провести такой опыт с одиночными фотонами? Ведь через поляризатор не может пройти "полфотона".
И в каком смысле одиночными? И вообще хоть раз кто-нибудь проводил эксперимент, чтобы один фотон излучался и он же поглощался?Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+3А вот стало интересно - а можно ли вообще провести такой опыт с одиночными фотонами?
Конечно, проводили много раз.
Ведь через поляризатор не может пройти "полфотона".
Фотон имеет вероятность пройти и не пройти
И в каком смысле одиночными?
Буквально квант энергии заданной длины волны
И вообще хоть раз кто-нибудь проводил эксперимент, чтобы один фотон излучался и он же поглощался?
Это не очень верная постановка вопроса: фотоны с одной энергией неразличимы, их нельзя "пометить". Поэтому мы не можем сказать, это он же излучался или поглощался или нет. Если энергия фотона не изменилась, его считают тем же.
ksbes
26.12.2023 20:54-1Фотон имеет вероятность пройти и не пройти
Ну если так рассуждать, то тогда с какого его поляризация меняется, если он проходит? Там всё-таки немного по-другому получается. Переизлучения всякие.
В чем дело: когда мы говорим об одиночном фотоне не имеет большого смысла говорить о статистике, распределении и т.п.
Т.е. речь идёт всё же пусть об очень слабом, но всё же потоке фотонов. А раз говорим о потоке, то собственно говоря - какая разница? Какова его интенсивность? Одиночные фотоны или солнечный свет - результат и описание будут теми же.
Так что ролик не так уж и неправ, я хочу сказать.Это не очень верная постановка вопроса: фотоны с одной энергией неразличимы, их нельзя "пометить".
Ну как-то с электронами это не проблема. Зачем помечать, если мы постановкой эксперимента можем гарантировать что других фотонов кроме излучённых нет?
Все эксперименты (в т.ч.) и по квантовой криптографии, про которые я читал - либо работают с "лучём" - т.е. потоком фотонов. Либо принимают отдельные фотоны, от источника, который излучает как хочет.
Т.е. о таком чтобы источник излучил один (и только один фотон), а приёмник после этого принял один и только один фотон - я ни разу не находил. (Хотя, наверное опыт кажется немного бессмысленным, но он вроде бы достаточно фундаментален)Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+4Ну если так рассуждать, то тогда с какого его поляризация меняется, если он проходит? Там всё-таки немного по-другому получается. Переизлучения всякие.
Это два разных вопроса: почему поляризатор вообще вращает поляризацию (и там вам нужно описывать переизлучение и прочее) и качественное описание эксперимента, где известно действие поляризатора на фотон. Для того, чтобы задать квантовую операцию, не обязательно вдаваться в детали того, как именно это происходит.
В чем дело: когда мы говорим об одиночном фотоне не имеет большого смысла говорить о статистике, распределении и т.п.
Не совсем, когда мы говорим об одиночном фотоне, мы его описываем волновой функцией, которая по определению задает статистику измерений. Конечно, любые подобные эксперименты проводятся с большим количеством повторений.
Т.е. речь идёт всё же пусть об очень слабом, но всё же потоке фотонов.
Не обязательно, мы можем буквально испускать одиночные фотоны по нажатию кнопки и повторять эксперимент множество раз.
А раз говорим о потоке, то собственно говоря - какая разница? Какова его
интенсивность? Одиночные фотоны или солнечный свет - результат и
описание будут теми же.Нет, не теми же. Когда вы берете ансамбль фотонов разом, у вас пропадают все замечательные свойства суперпозиции и прочего квантового. Вы не будете наблюдать никаких нарушений неравенств Белла. Конечно, вы можете использовать матаппарат квантов для вычисления результата в этом случае тоже, но он покажет вам исключительно классически выглядящий результат.
Фундаментально, есть большая разница между одиночными фотонами и слабым лазерным лучом: в их статистике. Лазерный луч следует пуассоновскому распределению. Одиночные фотоны — нет. Поэтому лазерный луч, например, не будет проявлять квантовых эффектов (например, anti-bunching). Поэтому люди так парятся над созданием источников одиночных фотонов, а не просто ставят фильтр для лазерного луча.
Так что ролик не так уж и неправ, я хочу сказать.
Вот видите, в этом вся проблема подобных роликов: в них есть зерно истины, но они мешают мух с котлетами. Они говорят про то, что вы якобы наблюдаете квантовый эффект, который "страннее, чем кажется", и пытаются описывать его через квантовые вычисления. Но это абсолютно неверно: ни один из эффектов, про которые они говорят, не появляется в данном эксперименте, как его ни описывай (классически или квантово).
Ну как-то с электронами это не проблема. Зачем помечать, если мы
постановкой эксперимента можем гарантировать что других фотонов кроме
излучённых нет?Электроны тоже неразличимы. Я не очень понял тогда, к чему вы, почему вы говорите про "один и тот же фотон".
Все эксперименты (в т.ч.) и по квантовой криптографии, про которые я
читал - либо работают с "лучём" - т.е. потоком фотонов. Либо принимают
отдельные фотоны, от источника, который излучает как хочет.Некоторые криптоалогритмы действительно могут работать с лучом, но только некоторые. Как я писал выше, в общем случае поток фотонов (слабый луч) не обладает нужной статистикой для использования в квантовых экспериментах. Почитайте про источники одиночных фотонов, 99% всех современных экспериментов с одиночными фотонами работают с ними.
red75prim
26.12.2023 20:54+1А вот стало интересно - а можно ли вообще провести такой опыт с одиночными фотонами?
Можно. Проводят: например "Single-photon experiments with liquid crystals for quantum science and quantum engineering applications".
Фотон проходит через поляризатор с определённой вероятностью и его состояние поляризации меняется.
И в каком смысле одиночными?
Электромагнитное поле находится в состоянии Фока с n=1.
И вообще хоть раз кто-нибудь проводил эксперимент, чтобы один фотон излучался и он же поглощался?
Ага. В квантовой криптографии такие штуки используются.
OlegKharitonov
26.12.2023 20:54+1Хотелось бы услышать автора про научпоп рунета. Я его активно потребляю и честно удивлён его качеством. Профессора от астрофизики до биологии, шарящие биохакеры или просто задвинутые на интересных идеях люди, которым тоже нравится грызть гранит науки. Нет времени посмотреть или послушать их всех. А если ещё зацепить и изотерику... А если еще и в исторические видео погрузиться...
Уровень русского научпопа очень высокий.
MikhailZakharov
26.12.2023 20:54+4Я добавлю своего мнения. Кажется, что научпоп должен был привлекать внимания к науке, подталкивать к более глубокому интересу. Но фактически дальше никто не идет. Популярное и упрощенное объяснение дает ложное ощущения того, что в теме разбираешься. В особенности плохо большое количество "вау" акцентов, чтобы привлечь аудиторию.
К чему это может привести. Наука работает со все более сложными терминами. И разрыв между популяризацией и знанием будет все более огромным. Научпоп останется в сегменте "заработок на аудитории". Как пример можно привести квантовые вычисления. Там разрыв между простым объяснением и настоящей теорией довольно большой.
Но, возможно, мне со своей колокольни видно не в ту сторону. И научпоп из ста тысяч людей подталкивает десять из них разобраться более глубоко в теме. И это хорошо.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+1Я совершенно согласен с вами! У меня вообще непопулярное мнение, что научпоп — зло (я даже про это написал целый пост). В современном виде он приносит больше вреда, чем пользы.
lgorSL
26.12.2023 20:54+4У меня был маленький шок, когда читал учебник Фейнмана по физике и вместо постулатного "сила притяжения F = G m M / r^2" увидел ещё информацию, для каких минимальных и максимальных расстояний и масс смогли проверить это утверждение экспериментально и с какой точностью. И то что на сверхбольших или сверхмалых расстояниях теретически может быть как-то иначе.
Причём не то чтобы Фейнмана было сложно читать. И это то, как на мой взгляд надо писать.
Научпоп вместо этого уходит в какую-то другую сторону, когда даже формул зачастую не пишут и в итоге больше запутывают чем объясняют.P.S. И ещё, мне кажется, часто очень зря не включают историю - как появилась та или иная физическая модель, какие альтернативные модели предлагались, какими экспериментами смогли доказать или опровергнуть.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+2Кстати, любопытно, что до сих пор гравитацию не измеряли для объектов легче ~100мг. Так что неизвестно, действует ли она там вообще. Не говоря уж о малых расстояниях: там мы на расстояниях ближе пары мм тоже ничего не знаем.
Про историю — согласен, но это очень большая работа. Для этого нужна прямо серьезная мотивация написания текста.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54У меня сложные отношения с ним. С одной стороны, его часто делают люди, которые реально работают в науке и понимают о чем говорят. С другой стороны, таких людей очень мало, у них малый опыт в этом всем, а конкуренции нет, и в итоге качество очень прыгает от материала к материалу. С третьей стороны, аудитория тоже очень маленькая, так что все держится исключительно на энтузиазме самих авторов и их желании нести свет в массы, а не какой-то материальной поддержке. Это сказывается на качестве тоже, т.к. у авторов нет ответственности за материал (особенно в области проверки фактов).
В общем, в англоязычном научпопе есть ресурсы с гораздо более высоким уровнем, чем в русскоязычном. Но в среднем русскоязычные материалы все же выше качеством.
Razoomnick
26.12.2023 20:54+1Лихо вы эзотерику в один ряд с наукой, пусть и в популярном изложении, поставили. Да и биохакинг тоже.
Есть же медицина, есть куча разделов биологии, вот они - науки. Если вдаваться в детали, да, есть некоторые проблемы с воспроизводимостью результатов. Но - там и методологии, и рандомизированные исследования, и метаанализы, и все вот это вот. А вы "биохакинг".
dmiche
26.12.2023 20:54+1Да, интересно. Получается, что фильтр, по сути (как Вы и пишете в самом начале) преобразует поляризацию. Т.е., пропущенная им энергия формирует уже волну новой поляризации, а не ослабленную волну старой.
А можно глупый вопрос не по теме? Вот эта картинка, в которой лепестки Э/М и Э/С поля синфазны, она же, насколько я понимаю, графически корректна, они именно синфазны. Но тогда куда девается энергия в узловых точках? Как здесь работает закон сохранения энергии?
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54Энергия определяется для волны на периоде, а за период волна уже "убегает" через точку, где был ноль.
dmiche
26.12.2023 20:54Т.е. на самом деле, там примерно как с орбитой электрона: там в реальности суперпозиция, но мы считаем, что как бы есть орбита. Так и тут - вроде колебания есть, но вроде как это вообще не колебания?
mayorovp
26.12.2023 20:54Ну почему же. Если рассматривать напряжённости полей в конкретной точке - будут колебания.
Вы учитывайте, что волны, они, это, движутся.
dmiche
26.12.2023 20:54-1Если мы на графике берём развёртку по времени, а мы именно её и берём, то они никуда не движутся. Потому что для движения необходимо течение времени, график же его в каждой своей точке исключает.
mayorovp
26.12.2023 20:54Ну как сказать, я обычно вижу именно пространственные рисунки, а не развёртки по времени.
В любом случае, волна существует и во времени, и в пространстве. Независимо от того как мы её нарисовали. И от того, что вы взяли развёртку по времени, волна не перестала никуда двигаться.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54Хм, я не очень понимаю. Мы говорим про классическую физику, тут нет никакой квантовости.
Как вы понимаете энергию в данном контексте?
Энергия с физической точки зрения имеет смысл, когда мы говорим о возможности системы выполнить какую-то работу. И там будет иметь смысл только средняя за период энергия, а не мгновенная величина в какой-то точке.
Вы можете посмотреть поток энергии (вектор Поинтинга) в каждой точке волны, он будет обращаться в конкретный момент времени в каком-то месте в ноль. Но зато в других местах он большой — вроде бы обычный волновой процесс.
mayorovp
26.12.2023 20:54Вот эта картинка, в которой лепестки Э/М и Э/С поля синфазны, она же, насколько я понимаю, графически корректна, они именно синфазны. Но тогда куда девается энергия в узловых точках?
Они никуда не девается, её просто нету там.
dmiche
26.12.2023 20:54Как при этом действует закон сохранения энергии. Если её там нету, то где она?
mayorovp
26.12.2023 20:54+2А почему она должна быть?
ЗСЭ говорит что суммарная энергия замкнутой системы должна сохраняться во времени. Но он не предписывает энергии быть равномерно распределённой в пространстве.
dmiche
26.12.2023 20:54-1Это значит, что мы должны быть способны ответить на вопрос, где прибавилось, когда тут уменьшилось. И, если говорим о понимании процессов, то ещё на вопрос за счёт чего.
mayorovp
26.12.2023 20:54На вопрос "где прибавилось, когда тут уменьшилось" ответ прост, только вы почему-то не хотите его слушать - далее по движению волны. Потому что волна, ну, движется.
dmiche
26.12.2023 20:54+1А, ну так стало понятно, да, спасибо.
Выходит, что там упругого колебания вообще нет, там всё летит только вперёд. Неожиданно.
PS. Для минусаторов: господа, минус за вопрос - это как? Типа, "ответить не могу, но осуждаю?" :)))
Astrei
26.12.2023 20:54-1Мне это напомнило известный парадокс Стрелы Зенона, просто в другой формулировке. Как и в случае последнего нужно аккуратно применять умозрительные модели к реальности чтобы избегать ложных выводов.
Sergey_Kovalenko
26.12.2023 20:54Вместо света можно взять привязанную к колышку скакалку и пускать по ней волну. Вместо поляризаторов - щели между двумя гладкими предметами, сквозь которые долже быть продета скакалка.
K0styan
26.12.2023 20:54+1Теоретически можно, но наглядно будет только при идеально гладких скакалке и щелях, иначе трение всё смажет.
Vitter
26.12.2023 20:54Поляризатор пропускает только только первую часть, так что прошедшая интенсивность света оказывается меняется по закону Малуса
Ох, у меня по этому поводу даже статья на Хабре есть.
Так вот, самоцититрование:
Если решения принимаются индивидуально каждой частицей в отдельности без общения с кем-либо (по закону Малуса), то эти решения нельзя объяснить с помощью локальности.Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+1Если вы просто хотите посчитать прохождение волны, вам не нужны квантовые вычисления, это чисто классический эффект. Если вы хотите посчитать, как именно плоскость поляризации вращается при прохождении через поляризатор, степень погружения в детали зависит от конкретного устройства поляризатора. Если это просто металлические нитки, все считается чисто классически. Если это какой-то кристалл, там нужно хотя бы частично использовать кванты.
ksbes
26.12.2023 20:54Не обязательно. Достаточно иметь кристалл с анизотропными магнитными и электрическими проницаемостями. Тогда B и H, а также E и D становятся в общем случае непараллельными. И чем более они непараллельны, тем сильнее волна поглощается/преломляется
Ну а причины анизотропии - это уже другой вопрос.Собственно двойное лучепреломление полевого шпата - как раз оно же.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54Ну да, я вроде про это и говорю: для этого всего не нужны кванты. Или я не понял вас?
Vitter
26.12.2023 20:54Я согласен, что с точки зрения классической волновой механики тут нет ничего особенного.
Вот только перед фильтром фотон может не иметь ОПРЕДЕЛЁННОЙ поляризации (например, в случае запутанных фотонов), а проходят фотоны так же определённоShkaff Автор
26.12.2023 20:54Так мы-то говорим про классический свет, где фотоны имеют определенную поляризацию. Я уже писал тут выше, что моя главная проблема с постановкой проблемы, что мы типа своими глазами видим квантовый эффект. Я совершенно не спорю с тем, что если мы будем рассматривать квантовое состояние с самого начала, нам надо будет объяснять это квантово тоже.
Во-вторых,
Вот только перед фильтром фотон может не иметь ОПРЕДЕЛЁННОЙ поляризации
(например, в случае запутанных фотонов), а проходят фотоны так же
определённо— в этом нет необычного тоже, это обычные проективные измерения. Вы коллапсируете чисто квантовое состояние (например запутанное) в полу-классическое (с четко заданным состоянием).
Razoomnick
26.12.2023 20:54+1По ходу прочтения возникла интересная, как мне кажется, задача.
Вот после первого фильтра у нас поляризованный свет. Если попытаться повернуть угол поляризации сразу на 90 градусов, его интенсивность уменьшится до нуля. Если сделать это в два захода, поворачивая на 45 градусов за раз, останется 50% от интенсивности. Если повернуть три раза на 30 градусов, останется 65% от интенсивности (если я не ошибся в расчетах). А если взять предел, то получается, что угол поляризации можно менять произвольно без потери интенсивности.
бесконечное число фильтров Задача становится интереснее, если учитывать отражения света на поверхности фильтра, но в общем виде с учетом всех переотражений я не готов сейчас её решить.
mayorovp
26.12.2023 20:54+1Учитывая, что жидкие кристаллы могут менять угол поляризации без потери интенсивности (ну, почти) - не вижу ничего противоречивого в конструкции из бесконечного числа поляризаторов, равно как и практического смысла этой конструкции.
Razoomnick
26.12.2023 20:54Практического смысла никакого, просто наблюдение на тему статьи. Бывает, интересно заняться какими-нибудь упоротыми расчетами без практического смысла. Возможно, это интересно кому-то ещё.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54О, классная мысль! Да, все верно, по крайней мере в идеальном случае. На практике, конечно, на каждом фильтре есть довольно значительные потери.
Но замечу, что обычная полуволновая пластинка делает ровно это самое.
Radisto
26.12.2023 20:54Есть вращение плоскости поляризации оптически активными веществами. То есть между поляризаторами "на темноту" (то есть под углом 90°, выражение из оптического контроля, сахарная промышленность, если не вру) можно поставить раствор сахара и темно уже не будет - плоскость поляризации развернется. И поглощение будет очень скромным. Правда, из-за дисперсии вращения белый свет возможно станет небелым ("на темноту" из-за этого обычно не темнота, а очень темно-пурпурный), поэтому такие вещи делают обычно на монохромном свете (ну или компенсируют)
sashov
26.12.2023 20:54+2Автор, вы не совсем правы в отношении научпоперов. Конкретно этих я не читал и не слушал, так что не могу судить о том, насколько они и в чем могли сильно напутать, но будучи сам научпопером в душе могу реконструировать их логику в здоровой ее части, а она в подобных рассказах про поляризацию есть, и немалая.
Если всё дело именно в каких-то некорректных наворотах, которые они привнесли, в ваша оговорка о том, что "на фундаментальном уровне, конечно, все эти процессы квантовые", как раз и подразумевает то, что я напишу тут ниже, прошу прощения, но всё же и ради абстрактной справедливости к научпопу, и ради того, чтобы у читателя-новичка не сложилось неверной картины, скажу следующее (конечно, несложное итд итп, но что вы, погорячившись, похоже, вменили критикуемым вами бедолагам в ничто, а зря).
Подготовительное (мое, тут) утверждение - что для того, чтобы наблюдать существенно квантовые эффекты, не обязательно детектировать единичные, скажем, фотоны. Другими словами, может быть, для того, чтобы окончательно четко доказать, что эффект реально именно квантовый, подобное и нужно, и уж точно желательно, но если это давным давно доказано, то для того, чтобы наблюдать существенно квантовые вещи, каждый раз ловить единичные квантовые события нет никакой нужды. Простой пример: дифракция электрона на двух щелях с красивой картинкой в областях, куда классический электрон никогда бы не попал, - вполне хорошее наблюдение чисто квантового эффекта. Это никак не зависит от интенсивности пучков электронов (лишь бы несущественные с нашей сейчас точки зрения эффекты вроде взаимного отталкивания электронов итп не смазали сильно картинку).
Главное же мое тут утверждение в том, что эти самые рассуждения о поляризации как квантовом эффекте - приводятся, конечно, не в противовес уравнениям Максвелла, а в противовес картине с "классическими фотонами" - как бы таким обычным классическим маленьким шарикам, у которых поляризация, может быть, и мыслима, но уж суперпозиция состояний поляризации - нет. Просто противопоставление такой старой классической картинке. Причем, конечно, тут никто не задается вопросами, вроде того "а нельзя ли было бы объяснить наблюдаемый эффект какими-то экзотическими теоретическими моделями, не имеющими отношения к обычной квантовой механики". Квантовая механика для научпопера просто есть. И он дает кому хочешь наблюдать существенно квантовый (по сравнению с фотонами-классическими-частицами) эффект. Своими глазами.
Можно ли называть поляризатор "квантовым прибором" (опять же не вдаюсь в тонкости применения терминологии и не слышал, как именно и с какими подмигиваниями они его применяли, если применяли)? Можно в том смысле, что он не разрушает квантовое состояние, не нарушает когерентность, не сбивает фазу. Фотон, прошедший через поляризатор, находится в квантовом состоянии - итд как положено про фотон, прошедший, через поляризатор. Можно ли думать о фотоне как об обычной квантовой частице, имеющие состояния поляризации, описываемые так? Можно, подход ничем не хуже других.
Может быть, это не очень существенно для основной темы моего коммента, но, не знаю, как для видимого света, а для радиоволн очень легко представить себе не только обычный поляризатор, отфильтровывающий одно из состояний поляризации, но и поляризатор, разбивающий волну на два луча, поляризация которых перпендикулярна (таким будет просто поверхность, в которой густо натянуты параллельные проволоки - такое вот полупрозрачное зеркало). Тут, наверное, и с запутанностью уже можно что-то напопуляризировать при желании.
Почему я говорю, что этот научпоперский ход про "квантовую" поляризацию в том смысле, который я описал выше (т.е. в противовес картинке из просто летящих кучей фотонов-классических шариков), достаточно адекватен и существен? Да прежде всего потому, что это действительно демонстрация существа квантовости. Чтобы в этом убедиться, достаточно сравнить с той самой дифракцией электронов на двух щелях (можно и одной, но на двух, конечно, более ясно всё). В случае поляризации фотонов пространство состояний (точнее, самая интересная его часть) - это двумерное пространство с чистыми состояниями, соответствующими линейной поляризации по x и y. Для дифракции электрона на щелях это могут быть классические траектории в интеграле по траекториям, или сферические волны, чтобы попроще. Итог - суперпозиция. Это существенно.
Ну а что у бозонного поля есть некий классический вариант, во многом совпадающий с квантовым, это, можно сказать, такая счастливая случайность (да, полезная для научпопа - и отлично!). И конечно, научпоперы, которые поадекватнее (ну и которые скажем не десятый раз делают переводы с ухудшением и уже сами забыли с чего когда-то вполне разумно началось), противопоставляют "квантовую" поляризацию не "классической" поляризации максвелловской, а вот тем самым (не реальным, а воображаемым) фотонам, которые как классические камешки, без суперпозиции в пространстве поляризаций (которая к классическим "камешкам" с трудом как-то и примысливается).
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+3Подготовительное (мое, тут) утверждение - что для того, чтобы наблюдать
существенно квантовые эффекты, не обязательно детектировать единичные,
скажем, фотоны.Обязательно (или производить аналогичные квантовые измерения). Например, я в лабе делаю и измеряю запутанные состояния не одиночных фотонов, а их целых ансамблей. Но это специально подготовленные состояние и специальные измерители. Просто так "глазами" увидеть квантовые эффекты за очень редкими исключениями нельзя.
Можно в том смысле, что он не разрушает квантовое состояние, не нарушает когерентность, не сбивает фазу.
Это как раз не так: поляризатор (тот, про который в статье) проецирует состояние на конкретный измерительный базис, не сохраняя квантового состояния. Так что поляризатор — это не квантовый прибор в этом смысле. Фотон, прошедший через него, оказывается в "классическом" состоянии (т.е. не в суперпозиции или запутанности).
И он дает кому хочешь наблюдать существенно квантовый (по сравнению с фотонами-классическими-частицами) эффект.
Так в том-то и дело, что они сначала сами придумали, что надо рассматривать тут почему-то одиночные фотоны, а не электромагнитную волну, и сами же решили, что это квантовый эффект, наблюдаемый своими глазами.
Но тут не только в этом провал: они объясняют это все через суперпозицию, приплетают теорему Белла и т.п. Но это все банально не работает для макроскопических состояний, как мы наблюдаем своими глазами. Для наблюдения этих эффектов нужно специально приготовленное квантовое состояние фотона.
И конечно, научпоперы, которые поадекватнее (ну и которые скажем не
десятый раз делают переводы с ухудшением и уже сами забыли с чего
когда-то вполне разумно началось), противопоставляют "квантовую"
поляризацию не "классической" поляризации максвелловской, а вот тем
самым (не реальным, а воображаемым) фотонам, которые как классические
камешки, без суперпозиции в пространстве поляризаций (которая к
классическим "камешкам" с трудом как-то и примысливается).А вот с этим я согласен. Если бы эти статьи писались не с понтом, что мы наблюдаем квантовые эффекты своими глазами, а что это эффект, который для одиночных фотонов необъясним в рамках "фотон-как-камушек" парадигмы, то у меня не было б никаких к ним вопросов.
sashov
26.12.2023 20:54+1>Подготовительное (мое, тут) утверждение - что для того, чтобы >наблюдать
существенно квантовые эффекты, не обязательно детектировать >единичные,
>скажем, фотоны.Обязательно (или производить аналогичные квантовые измерения). Например, я в лабе делаю и измеряю запутанные состояния не одиночных фотонов, а их целых ансамблей. Но это специально подготовленные состояние и специальные измерители. Просто так "глазами" увидеть квантовые эффекты за очень редкими исключениями нельзя.
Мне кажется, вы тут втянулись с ними, а теперь отчасти и со мной (а я не хочу) в терминологический спор немного в роли граммар наци. Мы отсортировали электроны по импульсу - отлично! - вот вам и специально подготовленное состояние, достаточно хорошо подготовленное чтобы наблюдать интерференцию - существенно квантовый, по моему скромному мнению, на котором я и пытаюсь настаивать, эффект. И интерферирует одиночный электрон с собой, а как уж там устроен ансамбль - просто не важно. С фотонами примерно то же самое. Особенно если рассмотреть всё "с точки зрения первичного квантования" (тогда просто отличий практически не найти). Но и с других точек зрения всё так. Два фотона в поляризациях x и у смешиваются посредством квантовой суперпозиции. Вы же не квантуете электромагнитное поле отдельно для каждого угла поляризации.
Похоже, еще одна причина лингвистического недоразумения историческая - поскольку электромагнитное поле исторически известно до квантовой механики и в этом смысле как бы автоматически считается классическим.
Но ведь никто, за исключением людей самых экзотических взглядов, не считает, что поведение одиночного фотона и "классической" электромагнитной волны в поляризаторах, - это что-то сугубо разное, что одинаковая формула в ответе - это какая-то случайность. Да, "случайно" то, что в бозонном поле эта формула стала макроскопически видна, но видно-то совершенно одно и то же по конечной природе.
В случае электронов это более исторически очевидно потому, что до квантовой механики никто толком их дифракции/интерференции не видел. Но по существу никакого отличия же нет (в подходе первичного квантования для фотонов). И если бы представить себе фантастически, что опытов с дифракцией единичного электрона никогда не делали, а делали только для сравнительно плотных пучков, это не сделало эффект не квантовым, а теория, скорее всего (это уже гадательно, но задним умом имеем право сфантазировать и это, хотя исторически, особенно до прямых экспериментов с одиночными частицами, было много разного, и гарантировать всерьез тут что-то трудно) была бы принята квантовая - исходя из того, что слишком уж эти волны ведут себя так, как надо, как говорит именно квантовая теория.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+1И интерферирует одиночный электрон с собой, а как уж там устроен ансамбль - просто не важно. С фотонами примерно то же самое.
Не то же самое. Вы сравниваете два разных эффекта. Если бы вы сравнивали ту же интерференцию с фотонами — у меня не было бы вопросов. Но мы говорим про конкретный эксперимент с поляризацией, где научпоп рассказывает про запутанность и теорему Белла. Так вот, ни запутанности, ни теоремы Белла не наблюдается при "классическом" состоянии фотона (т.е. когда это поток фотонов в пуассоновском распределении, а не приготовленные одиночные фотоны). Моя претензия именно в этом. Это не просто семантика, это конкретно неверные заявления со стороны научпопа.
Есть очень простой критерий: если вы наблюдаете существенно неклассические эффекты (суб-пуассоновскую статистику, отрицательную функцию Вигнера, нарушение неравенств Белла, туннелирование и т.п.), то это квантовая система. Во всех остальных случаях квантовое и классическое описание неотличимы.
sashov
26.12.2023 20:54+1Можно в том смысле, что он не разрушает квантовое состояние, не нарушает когерентность, не сбивает фазу.
>Это как раз не так: поляризатор (тот, про который в статье) >проецирует состояние на конкретный измерительный базис, не >сохраняя квантового состояния. Так что поляризатор — это не >квантовый прибор в этом смысле. Фотон, прошедший через него, >оказывается в "классическом" состоянии (т.е. не в суперпозиции или >запутанности).
Соглашусь, высказался я тут не особенно аккуратно. Тем не менее, это классический квантовый эксперимент. Первый поляризатор - это то самое приготовление состояния. При этом состояние разрушается только для поглощенных фотонов. Всё время применяется суперпозиция состояний (существенно квантовая исходно, хотя и совпадающая удачным образом с суперпозицией макроскопического поля). Проходящее поляризатор поле сохраняет когерентность. Да, конечно, любой подобный фильтр в своей поглощающей части "осуществляет измерение" и разрушает состояние, но проходящая часть сохраняет когерентность. Так же, как, например, при дифракции/интерференции на экране с двумя отверстиями - да, состояния поглощенные экраном частиц "измерены" и разрушены. Но прошедшая через оба отверстия частица (да, отфильтрованная по новому базису сферических волн) не теряет когерентности и интерферирует с собой, в этом смысле связь с исходным состоянием сохраняется.
sashov
26.12.2023 20:54+2Кстати, поляризатор, не поглощающий одну из поляризаций, а отражающий (разделяющий луч на два луча с разной поляризацией) вообще не разрушает состояния, исходное состояние можно потом собрать и полностью восстановить, сведя эти два луча. Наверное это оффтоп, за что прошу прощения, но всё же тема про популярное, хочется упомянуть о всяком таком...
sashov
26.12.2023 20:54+1>Так в том-то и дело, что они сначала сами придумали, что надо >рассматривать тут почему-то одиночные фотоны, а не >электромагнитную волну, и сами же решили, что это квантовый >эффект, наблюдаемый своими глазами.
Ну всё же не совсем сами:) Одиночные фотоны тут всё же ведут себя полностью как не одиночные (тонкие отличия надо поискать, проявив недюжинную виртуозность). И это всё использовали всякие очень уважаемые личности в прошлом при рассмотрении подобных эффектов (и достаточно популярно тоже). Если конечно мне не изменяет память и я что-то не перепутал.
Я понимаю, что "это то же самое" и "это совсем другое" - позиции, во многом сводящиеся ко вкусу и прочей не относящейся уж прямо и непосредственно к делу (хотя и дорогое нашему восприятию) психологии. Кто что акцентирует - во многом в его воле (как и в воле его критиков настаивать на своем).
Поэтому предлагаю мирный компромисс. Пусть это звучит так "это квантовый эффект, наблюдаемый ОТЧАСТИ (и быть может даже "как бы"), своими глазами.
И иди речь о спине электрона, а не фотона, я бы наверное с трудом уговаривал себя на такой пацифистский выход из положения. Но раз уж электромагнитное поле такое старое, исторически доквантовое, то из уважения к этой вот всей истории:)
И я вот не могу всё же никак осудить тех людей, которые говорят, что на самом-то деле всё квантовое:) И то, что мы видим с помощью поляризаторов - это вот да, вот прямо вашими словами: проецирование состояния на конкретный базис итд итд итп:)
Ведь даже в тех самых веревках и заборах, в которых уж казалось бы куда уже кондовее быть всему и классичнее - но и в них же, если заборы не слишком дрянные и шершавые, вполне себе видны фононы (специфические такие) с разложением по состояниям поляризации:) (Улыбка не означает, что всё сказанное про фононы неправда; квантовость - она очень умело просачивается по уровням этого, как его называют-то по-человечески?..)
sashov
26.12.2023 20:54Но может и зря я, конечно, завел всё это. Потому что вы родных научпоперов обижали, которых я даже не читал:) Формально же вы и не спорите: "да, в глубине есть квантовый механизм". И мне формально тоже трудновато будет спорить: с точки зрения классической электродинамики всё вполне объяснимо, а как уж оно там с квантовой точки зрения, пусть даже и вторичного только квантования - всё-таки отдельный (при желании так об этом думать) вопрос.
Может, и правильно лучше акцентировать внимание на том, что ухо надо держать востро. Но мне (как научпоперу в душе) больше хочется, чтобы было понятно и даже видно хотя бы то, что понятно и видно - и "как на самом деле" (хотя "как на самом деле мы не знаем, а только на настоящий момент мы думаем так"), а не как только лишь в 19 веке:)
sashov
26.12.2023 20:54И да, всё-таки. Если бы не было чисто квантовой суперпозиции состояний поляризации фотона - то не было бы и соответствующего эффекта в уравнениям Максвелла.
Всё. Это значит, что они имеют полное право говорить так, как они говорят. Мы наблюдаем глазами квантовый эффект. Такова суть. (За тонкостями их стиля изложения, как и говорил выше, я не следил).
sashov
26.12.2023 20:54Ну а гипотезу "а вдруг квантовая механика неправильная, а уравнения Максвелла правильные" я при обсуждении научпопа не рассматриваю, да вроде и никто здесь пока всерьез не хотел:)
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+1В этом смысле все, что мы наблюдаем — квантовые эффекты. Но это абсурд. Они пишут "это страннее, чем вы думаете". Это — ерунда, тут нет ровно ничего странного, это эффект, который могут объяснить школьники без привлечения чего-либо квантового.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54Одиночные фотоны тут всё же ведут себя полностью как не одиночные
(тонкие отличия надо поискать, проявив недюжинную виртуозность).Нет, не нужна никакая виртуозность. Одиночные фотоны, например, имеют корреляционную функцию второго порядка отличную от 1. Со слабым потоком фотонов не сделать толком ничего полезного, в отличие от одиночных фотонов — именно из-за их разного состояния.
Поэтому предлагаю мирный компромисс. Пусть это звучит так "это квантовый эффект, наблюдаемый ОТЧАСТИ (и быть может даже "как бы"), своими глазами.
Нет, тут просто нет никакого квантового эффекта, наблюдаемого своими глазами.
Vsevo10d
26.12.2023 20:54Раз уж зашла речь обо всем этом: правильно я понимаю, что вся вот эта рисовка волн плоскими синусоидами - это тоже ограниченность научпопа, который раскидывает это на оси ху, чтобы нарисовать на странице в древнем бумажном учебнике, а на самом деле перпендикулярная волна неполяризованного света - это такие объемные "блинчики", которые от точечного источника идут так: пердь, пердь, пердь, примерно как электроизоляторы?
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54+2Да, примерно так. Вот срез-иллюстрация для гауссовского пучка как функция расстояния от оси распространения (на картинке интенсивность, а не амплитуда, но не суть):
quverty
26.12.2023 20:54+1Недавно на Медиум попалась на глаза статья на похожую тему, всё думал, стоит ли попридераться, а тут так удачно ... Судя по всему, этот сомнительный пример достаточно распространен.
Shkaff Автор
26.12.2023 20:54Я его и выбрал потому, что это, наверное, самый популярный пример из разряда "квантовая механика для чайников". Я его видел десятки раз (и на хабре тоже, кстати).
celen
Ваша статья оставляет у читателя многовато вопросов. Вот например: а что есть сам закон Малуса имеет квантовую природу?
Мне кажется, что проблема понимания людьми поляризации порождена картинкой, соответствующей вашей (плохой) иллюстрации «Поляризатор поглощает все компоненты входящего света». На ней изображено так, как будто бы поляризатор пропустил только желтую волну, а остальные поглотил. В действительности от оранжевой и синей волн останется часть волны, поляризованная и с уменьшенной амплитудой. Но поскольку в учебнике физики не редкость именно так изображенная поляризация, а еще там любят изобразить прохождение волны через щель, а нашей интуиции кажется, что слегка повернутая относительно щели волна в щель уже не пролезет, то кажется, будто тут происходит какая-то магия.
В действительности, конечно, это обычное свойство любой поперечной волны, и оно может быть проиллюстрировано, например, веревкой, привязанной к колышку за скользящую петлю или, что проще, гитарной струной, колебаний которой музыкант пробует остановить, прижимая ее к ладу или защипывая. Ваша статья стала бы сильно лучше, расскажи вы об этом.
Shkaff Автор
Так отлично, для этого же есть комментарии, я всегда рад ответить!
Конечно, все законы имеют квантовую природу. Но в данном случае, для описания явления не нужно применять квантовость ни на каком этапе.
Так о том и речь же, что каждая компонента проецируется на соответствующий базис поляризатора. Вроде я об этом и пишу всю статью.
Тут надо рассказывать не совсем об этом, а о том, что если веревка проходит через щель, то вне зависимости от направления колебаний веревки до щели, после они всегда остаются в плоскости щели (с уменьшенной амплитудой). Это классный эксперимент, но я не нашел хорошей демонстрации, а без нее не увидел особого смысла писать. Но я согласен, что такие аналогии помогают.
ksbes
Кстати - было бы интересно провести подобный эксперимент именно на верёвках. Должно сработать, если расстояние между решётками правильно подобрать (кратно полдлины волны)
Shkaff Автор
Должно сработать, конечно. Не уверен, почему расстояние должно быть полдлины волны: вроде не имеет значения (если не формировать стоячую волну).
Tyusha
Если у стоячей волны узел придётся на фильтр, то...
Shkaff Автор
Так о том и речь
azTotMD
Спасибо,
вот теперь понял. А то сказано "пропускает", а на самом деле что-то пропускает, а что-то "поворачивает"
Cerberuser
Проецирует, вот так точнее всего. Раскладывает волну в сумму "пропускаемой" и "поглощаемой", иначе говоря.
azTotMD
Сейчас вроде статью поправили, но вчера ты читаешь, читаешь, всё расписано чуть ли не для дошкольников и потом раз - формула разложение по базису, два формула - финальной интенсивности после 2х фильтров.
Это самое сложное и важное место, которое автор, в первоначальной редакции, просто проскочил. Я перечитал несколько раз, ничего не понял и уже было собрался спросить в комментарии, как комментатор выше все объяснил.
Почему мы раскладываем на эти базисы? ну видимо потому что у нас волна попереченая, колебания в плоскости перперендекулярной распространению, а раз в плоскости, то значит можно разложить по двум взаимоперпендекулярным направлениям. Но этого ничего в тексте нет и приходится додумывать.
А самое главное, вот это:
и этого тоже не было в статье, вот сейчас начинаешь догадываться, что фильтр способен повернуть и пропустить ту часть света, которая имеет хоть какой-нибудь вклад в проекцию на плоскость поляризации. Тогда была бы понятна и эта формула с квадратом.
А картинки со всякими щелями и дырками в заборе реально запутывают. Ты думаешь у тебя что-то вроде ключ-замок и чтобы протолкнуть ключ надо его повернуть ровно так, как выставлена скважина.
Ну и небольшой косяк восприятия, дефолтно думаешь что "пропускает только свет нужной поляризации" означает, что всё остальное "поглощает", а на самом деле нет, часть остального "поворачивает".
И отдельный интересный вопрос, как эти фильтры способны на такую магию, но это поди ещё страниц 20...
Shkaff Автор
Иногда сложно увидеть, какие моменты окажутся сложными и непонятными. Здорово, что комментаторы как @celen добавляют правильности статье.
А что до деталей: это всегда компромисс между тем, насколько надо погрузиться и в какой момент остановиться. Вроде бы не хочется служить учебником по физике тоже, поэтому я стараюсь указывать важные моменты в надежде, что эти кодовые слова укажут, куда смотреть дальше. В частности, в данной статье основная цель была указать, что никакой квантовости не нужно, а не разобрать детально всю физику происходящего.
На самом деле, самый простой поляризатор — просто набор тонких металлических ниток, натянутых в одном направлении. Свет вдоль ниток создает ток электронов в них, и нитки ведут себя как зеркало, отражая большую часть света. Свет с поляризацией поперек не возбуждает никаких электронов и ведет себя как диэлектрик, проходя насквозь. Многие поляризаторы работают на таком же принципе, только на уровне молекул.