TED2011
Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object
Аарон О’Коннелл разбирается в видимом квантовом объекте
Filmed:
Readability: 3.2
1,482,555 views
Физики привыкли к тому, что поведение элементарных частиц, в отличие от видимых человеку объектов, подчиняется причудливым законам квантовой механики. С помощью инновационного эксперимента Аарон О’Коннелл размывает эту границу: он создаёт объект, видимый невооружённому человеческому глазу, но, безусловно, существующий в двух местах одновременно. В своём выступлении он предлагает интригующий подход к интерпретации результата эксперимента
Aaron O'Connell - Physicist
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
This is a representation of your brain,
0
0
3000
Это схематическое представление человеческого мозга.
00:18
and your brain can be broken into two parts.
1
3000
3000
Мозг можно разбить на две части:
00:21
There's the left half, which is the logical side,
2
6000
2000
левая половина отвечает за логику,
00:23
and then the right half,
3
8000
2000
правая половина -
00:25
which is the intuitive.
4
10000
2000
за интуицию.
00:27
And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
5
12000
3000
Если бы у нас была шкала для измерения доминирования полушарий [головного мозга],
00:30
then we can plot our brain.
6
15000
2000
мы могли бы составить карту мозга.
00:32
And for example, this would be somebody who's completely logical.
7
17000
3000
Это – кто-то, кто полностью полагается на логику.
00:35
This would be someone who's entirely intuitive.
8
20000
3000
А это - человек, полагающийся на интуицию.
00:39
So where would you put your brain on this scale?
9
24000
3000
Где бы вы разместили ваш мозг на этой шкале?
00:42
Some of us may have opted for one of these extremes,
10
27000
3000
Некоторые, вероятно, выбрали бы одно из крайних положений,
00:45
but I think for most people in the audience,
11
30000
2000
но, как я полагаю, у большинства присутствующих
00:47
your brain is something like this --
12
32000
2000
мозг функционирует так -
00:49
with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
13
34000
3000
с высоким уровнем развития обоих полушарий одновременно.
00:52
It's not like they're mutually exclusive or anything.
14
37000
2000
Они не являются взаимоисключающими.
00:54
You can be logical and intuitive.
15
39000
2000
Человек может мыслить и логично, и интуитивно.
00:56
And so I consider myself one of these people,
16
41000
3000
И себя я тоже считаю таковым,
00:59
along with most of the other experimental quantum physicists,
17
44000
3000
как и других физиков, экспериментирующих с квантовой механикой.
01:02
who need a good deal of logic
18
47000
2000
Таким людям для системного взгляда на сложные идеи
01:04
to string together these complex ideas.
19
49000
2000
нужна логика.
01:06
But at the same time, we need a good deal of intuition
20
51000
3000
но, в то же время, нужна и интуиция
01:09
to actually make the experiments work.
21
54000
2000
для планирования успешных экспериментов.
01:11
How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
22
56000
3000
Как мы развиваем эту интуицию? Нам нравится играть с окружающим миром.
01:14
So we go out and play with it, and then we see how it acts,
23
59000
3000
Мы начинаем экспериментировать и играть с окружающим миром, при этом наблюдая за его реакцией.
01:17
and then we develop our intuition from there.
24
62000
3000
Так и развивается наша интуиция.
01:20
And really you do the same thing.
25
65000
2000
Вы наверняка поступаете так же.
01:22
So some intuition
26
67000
2000
Поэтому интуитивно
01:24
that you may have developed over the years
27
69000
2000
с годами вы осознали то,
01:26
is that one thing is only in one place at a time.
28
71000
4000
что вещь может находиться одновременно только в одном месте.
01:30
I mean, it can sound weird to think about
29
75000
3000
Сама мысль о том, что вещь находится в двух местах одновременно,
01:33
one thing being in two different places at the same time,
30
78000
4000
может показаться странной,
01:37
but you weren't born with this notion, you developed it.
31
82000
3000
но вы не родились с этой идеей - вы развили её.
01:40
And I remember watching a kid playing on a car stop.
32
85000
3000
Помню, как наблюдал за ребёнком, играющим с ограждением.
01:43
He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
33
88000
3000
Он ещё только начинал ходить, и это не совсем у него получалось - он продолжал спотыкаться.
01:46
But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
34
91000
3000
Но я уверен, что та игра преподала ему ценный урок -
01:49
and that's that large things don't let you get right past them,
35
94000
4000
большие предметы не позволяют пройти сквозь них
01:53
and that they stay in one place.
36
98000
3000
и продолжают оставаться на прежнем месте.
01:56
And so this is a great conceptual model to have of the world,
37
101000
3000
Эта отличная концептуальная модель мира,
01:59
unless you're a particle physicist.
38
104000
2000
но не для физиков, изучающих элементарные частицы.
02:01
It'd be a terrible model for a particle physicist,
39
106000
2000
Для этих учёных это ужасная модель.
02:03
because they don't play with car stops,
40
108000
2000
потому что они не играют с бетонными блоками -
02:05
they play with these little weird particles.
41
110000
3000
они играют со странными маленькими частицами.
02:08
And when they play with their particles,
42
113000
2000
И когда они играют с этими частицами,
02:10
they find they do all sorts of really weird things --
43
115000
2000
то обнаруживают, что частицы способны выкидывать странные штуки -
02:12
like they can fly right through walls,
44
117000
3000
летать сквозь стены
02:15
or they can be in two different places at the same time.
45
120000
4000
или быть в двух местах одновременно.
02:19
And so they wrote down all these observations,
46
124000
3000
Физики записали все эти наблюдения
02:22
and they called it the theory of quantum mechanics.
47
127000
4000
и назвали их теорией квантовой механики.
02:26
And so that's where physics was at a few years ago;
48
131000
3000
Таково было состояние физики несколько лет назад;
02:29
you needed quantum mechanics
49
134000
2000
квантовая механика понадобилась
02:31
to describe little, tiny particles.
50
136000
2000
для описания маленьких, крошечных частиц.
02:33
But you didn't need it
51
138000
2000
Но она не была нужна
02:35
to describe the large, everyday objects around us.
52
140000
4000
для описания больших объектов, которые ежедневно окружают нас.
02:39
This didn't really sit well with my intuition,
53
144000
3000
Однако моя интуиция подсказывала мне, что что-то здесь не так,
02:42
and maybe it's just because I don't play with particles very often.
54
147000
3000
вероятно, так как я не особо часто играю с элементарными частицами.
02:45
Well, I play with them sometimes,
55
150000
2000
Конечно, я играю с ними иногда,
02:47
but not very often.
56
152000
2000
но не слишком часто.
02:49
And I've never seen them.
57
154000
2000
И я никогда их не видел.
02:51
I mean, nobody's ever seen a particle.
58
156000
3000
Их вообще никто никогда не видел.
02:54
But it didn't sit well with my logical side either.
59
159000
3000
Но и логика подсказывала мне обратное:
02:57
Because if everything is made up of little particles
60
162000
3000
если всё сделано из элементарных частиц,
03:00
and all the little particles
61
165000
2000
а элементарные частицы
03:02
follow quantum mechanics,
62
167000
2000
подчиняются законам квантовой механики,
03:04
then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
63
169000
3000
то почему всё не подчиняется этим законам?
03:09
I don't see any reason why it shouldn't.
64
174000
3000
Я не вижу причины, по которой это могло бы быть не так.
03:12
And so I'd feel a lot better about the whole thing
65
177000
2000
Поэтому я бы более уверился в своей правоте,
03:14
if we could somehow show
66
179000
2000
если бы смог показать,
03:16
that an everyday object
67
181000
2000
что обычный предмет
03:18
also follows quantum mechanics.
68
183000
2000
тоже следует законам квантовой механики.
03:20
So a few years ago, I set off to do just that.
69
185000
3000
Несколько лет назад я начал работать над этим.
03:23
So I made one.
70
188000
3000
И я сделал такой предмет.
03:26
This is the first object
71
191000
2000
Это первый в мире
03:28
that you can see
72
193000
2000
видимый глазом объект,
03:30
that has been in a mechanical quantum superposition.
73
195000
3000
который находился в квантовой суперпозиции.
03:33
So what we're looking at here
74
198000
2000
Здесь вы видите
03:35
is a tiny computer chip.
75
200000
2000
крошечный компьютерный чип.
03:37
And you can sort of see this green dot right in the middle.
76
202000
3000
Прямо в центре - зелёная точка.
03:40
And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
77
205000
3000
Именно об этом кусочке металла я и поведаю.
03:43
This is a photograph of the object.
78
208000
2000
Это фотография объекта.
03:45
And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
79
210000
3000
Сейчас немного приближу её. Мы смотрим прямо в центр.
03:48
And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal.
80
213000
3000
А это сильно увеличенное изображение этого кусочка металла.
03:51
So what we're looking at is a little chunk of metal,
81
216000
2000
Итак, мы видим маленький кусочек металла,
03:53
and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
82
218000
3000
который имеет форму трамплина и выступает за край.
03:56
And so I made this thing
83
221000
2000
Этот предмет я сделал
03:58
in nearly the same way as you make a computer chip.
84
223000
2000
почти по той же технологии, что используют для производства чипов.
04:00
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
85
225000
3000
Я вошёл в идеально чистую комнату с новенькой кремниевой заготовкой
04:03
and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
86
228000
3000
и потом запускал все эти огромные машины, потратив на это около 100 часов.
04:06
For the last stuff, I had to build my own machine --
87
231000
2000
Для последнего этапа мне пришлось построить свою собственную машину -
04:08
to make this swimming pool-shaped hole
88
233000
3000
чтобы сделать это отверстие в форме бассейна
04:11
underneath the device.
89
236000
2000
под устройством.
04:13
This device has the ability
90
238000
2000
Итак, этот предмет способен
04:15
to be in a quantum superposition,
91
240000
2000
находиться в квантовой суперпозиции,
04:17
but it needs a little help to do it.
92
242000
2000
но для этого ему надо немного помочь.
04:19
Here, let me give you an analogy.
93
244000
2000
Сейчас приведу вам аналогию.
04:21
You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
94
246000
3000
Вы ведь представляете, насколько неудобно находиться в переполненном лифте?
04:24
I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
95
249000
3000
Когда я в лифте один, то могу вытворять что душе угодно,
04:27
but then other people get on board
96
252000
2000
но когда в него заходят другие люди,
04:29
and I stop doing those things
97
254000
2000
мне приходится угомониться,
04:31
because I don't want to bother them,
98
256000
2000
потому что я не хочу их беспокоить,
04:33
or, frankly, scare them.
99
258000
3000
и, честно говоря, пугать.
04:36
So quantum mechanics says
100
261000
2000
Согласно квантовой механике,
04:38
that inanimate objects feel the same way.
101
263000
3000
неодушевлённые предметы ведут себя подобным образом.
04:41
The fellow passengers for inanimate objects
102
266000
2000
Причём попутчиками для них являются
04:43
are not just people,
103
268000
2000
не только люди,
04:45
but it's also the light shining on it
104
270000
2000
но и свет, падающий на них,
04:47
and the wind blowing past it and the heat of the room.
105
272000
3000
и ветер, их обдувающий, и даже тепло в комнате.
04:50
And so we knew, if we wanted to see
106
275000
2000
Поэтому, чтобы увидеть, как этот кусочек метелла
04:52
this piece of metal behave quantum mechanically,
107
277000
3000
будет подчиняться законам квантовой механики,
04:55
we're going to have to kick out all the other passengers.
108
280000
2000
необходимо удалить всех "попутчиков".
04:57
And so that's what we did.
109
282000
2000
Это мы и сделали.
04:59
We turned off the lights,
110
284000
2000
Выключили свет,
05:01
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
111
286000
2000
поместили металл в вакуум и выкачали весь воздух,
05:03
and then we cooled it down
112
288000
2000
затем охладили его
05:05
to just a fraction of a degree above absolute zero.
113
290000
2000
почти до абсолютного нуля.
05:07
Now, all alone in the elevator,
114
292000
2000
Теперь, будучи один "в лифте",
05:09
the little chunk of metal is free to act however it wanted.
115
294000
2000
маленький кусочек металла может вести себя как ему заблагорассудится.
05:11
And so we measured its motion.
116
296000
2000
А мы в это время измеряли его движения.
05:13
We found it was moving in really weird ways.
117
298000
2000
Мы обнаружили, что он ведёт себя крайне странно.
05:15
Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
118
300000
3000
Так, вместо того, чтобы просто находиться в спокойном состоянии, он вибрировал.
05:18
and the way it was vibrating was breathing something like this --
119
303000
3000
Вибрировал он примерно так,
05:21
like expanding and contracting bellows.
120
306000
2000
как расширяющиеся и сокращающиеся кузнечные мехи.
05:23
And by giving it a gentle nudge,
121
308000
2000
Когда мы его слегка подтолкнули,
05:25
we were able to make it both vibrate
122
310000
2000
он стал вибрировать
05:27
and not vibrate
123
312000
2000
и не вибрировать
05:29
at the same time --
124
314000
2000
одновременно -
05:31
something that's only allowed with quantum mechanics.
125
316000
3000
так ведут себя только объекты квантовой механики.
05:34
So what I'm telling you here is something truly fantastic.
126
319000
3000
Всё, что я вам сейчас рассказываю, поистине фантастично.
05:37
What does it mean for one thing
127
322000
2000
Что означает, когда предмет
05:39
to be both vibrating and not vibrating
128
324000
2000
вибрирует и не вибрирует
05:41
at the same time?
129
326000
2000
одновременно?
05:43
So let's think about the atoms.
130
328000
2000
Давайте поговорим об атомах.
05:45
So in one case:
131
330000
2000
Возьмём такой пример:
05:47
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
132
332000
3000
все триллионы атомов, из которых состоит кусочек металла,
05:50
are sitting still
133
335000
2000
находятся в состоянии покоя
05:52
and at the same time those same atoms
134
337000
2000
и в то же время они
05:54
are moving up and down.
135
339000
2000
движутся вверх и вниз.
05:56
Now it's only at precise times when they align.
136
341000
3000
И только в определённое время они выстраиваются в ряды.
05:59
The rest of the time they're delocalized.
137
344000
2000
В остальное время они находятся в делокализованном состоянии.
06:01
That means that every atom
138
346000
2000
То есть каждый атом
06:03
is in two different places at the same time,
139
348000
2000
находится в двух разных местах одновременно,
06:05
which in turn means the entire chunk of metal
140
350000
3000
что, в свою очередь, означает, что весь кусочек металла
06:08
is in two different places.
141
353000
2000
находится в двух разных местах.
06:10
I think this is really cool.
142
355000
2000
Я считаю, что это прикольно.
06:12
(Laughter)
143
357000
2000
(Смех)
06:14
Really.
144
359000
2000
Правда!
06:16
(Applause)
145
361000
3000
(Аплодисменты)
06:19
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
146
364000
5000
Ради этого стоило запереться в стерильной комнате на годы.
06:24
because, check this out,
147
369000
2000
Задумайтесь:
06:26
the difference in scale
148
371000
2000
разница масштаба
06:28
between a single atom and that chunk of metal
149
373000
2000
между атомом и кусочком металла
06:30
is about the same as the difference
150
375000
2000
почти такая же,
06:32
between that chunk of metal and you.
151
377000
2000
как между кусочком металла и человеком.
06:34
So if a single atom can be in two different places at the same time,
152
379000
3000
Если атом может находиться в двух местах одновременно
06:37
that chunk of metal can be in two different places,
153
382000
3000
и этот кусочек металла может находиться в двух местах одновременно,
06:40
then why not you?
154
385000
2000
то почему бы не человек?
06:42
I mean, this is just my logical side talking.
155
387000
3000
Такова логика моих рассуждений.
06:46
So imagine if you're in multiple places at the same time,
156
391000
4000
Представьте себе, если бы вы находились в разных местах одновременно,
06:50
what would that be like?
157
395000
3000
как бы вы себя чувствовали?
06:53
How would your consciousness
158
398000
2000
Как ваше сознание
06:55
handle your body being delocalized in space?
159
400000
4000
справлялось бы с тем, что тело ваше делокализовано?
06:59
There's one more part to the story.
160
404000
2000
Но это ещё не вся история.
07:01
It's when we warmed it up,
161
406000
2000
Если мы подогреем [кусок металла],
07:03
and we turned on the lights and looked inside the box,
162
408000
3000
включим свет и заглянем в коробку,
07:06
we saw that the piece metal was still there in one piece.
163
411000
4000
то увидим, что он по-прежнему там, в едином состоянии.
07:10
And so I had to develop this new intuition,
164
415000
3000
И интуитивно я полагаю,
07:13
that it seems like all the objects in the elevator
165
418000
3000
что все предметы в лифте
07:16
are really just quantum objects
166
421000
2000
тоже являются объектами квантовой механики,
07:18
just crammed into a tiny space.
167
423000
2000
скученными в крошечном пространстве.
07:20
You hear a lot of talk
168
425000
2000
Вы много слышали о том,
07:22
about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
169
427000
3000
что, согласно квантовой механике, всё взаимосвязано.
07:25
Well, that's not quite right.
170
430000
2000
Это не вполне так;
07:27
It's more than that; it's deeper.
171
432000
3000
на самом деле всё гораздо серьёзнее.
07:30
It's that those connections,
172
435000
2000
Именно все те связи,
07:32
your connections to all the things around you,
173
437000
3000
ваши связи со всеми объектами, окружающими вас,
07:35
literally define who you are,
174
440000
3000
в буквальном смысле определяют то, кто вы есть.
07:38
and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
175
443000
3000
И это самая большая странность квантовой механики.
07:41
Thank you.
176
446000
2000
Благодарю вас.
07:43
(Applause)
177
448000
2000
(Аплодисменты)
ABOUT THE SPEAKER
Aaron O'Connell - PhysicistAaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds.
Why you should listen
Growing up reading philosophy, playing guitar, and generally not thinking about science, Aaron O’Connell never expected to revolutionize the world of physics. But an inspiring stuffed-monkey-shot-from-a-cannon demonstration and a series of positive research experiences as an undergraduate propelled him to graduate school at UCSB.
While there, in an experiment remarkable both for its conceptual simplicity and technical difficulty, O’Connell was the first person to measure quantum effects in an object large enough to see with the naked eye. Named Breakthrough of the year by Science Magazine, the experiment shattered the previous record for the largest quantum object, showing decisively that there is no hard line between the quantum and everyday worlds.
Aaron O'Connell | Speaker | TED.com