TED2011
Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object
Аарон О'Коннелл розбирається у видимому квантовому об'єкті
Filmed:
Readability: 3.2
1,482,555 views
Фізики звикли до того, що поведінка елементарних частинок, на відміну від видимих людині об'єктів, підлягає дивацьким законам квантової механіки. За допомогою інноваційного експерименту Аарон О’Коннелл розмиває цю межу: від створює об'єкт, видимий неозброєним людським оком, але, безумовно, таким, що існує в двох місцях одночасно. В своєму виступі він пропонує інтригуючий підхід до інтерпретації результатів експерименту.
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
Це схематичне представлення людського мозку.
00:18
and your brain can be broken into two parts.
1
3000
3000
Мозок можна розбити на дві частини:
00:21
There's the left half, which is the logical side,
2
6000
2000
ліва половина відповідає за логіку,
00:23
and then the right half,
3
8000
2000
права половина -
00:25
which is the intuitive.
4
10000
2000
за інтуїцію.
00:27
And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
5
12000
3000
Якщо би у нас була шкала для вимірювання домінування півкуль [головного мозку],
00:30
then we can plot our brain.
6
15000
2000
ми могли б скласти карту мозку.
00:32
And for example, this would be somebody who's completely logical.
7
17000
3000
Це - хтось, хто повністю покладається на логіку.
00:35
This would be someone who's entirely intuitive.
8
20000
3000
А ця людина, покладається на інтуїцію.
00:39
So where would you put your brain on this scale?
9
24000
3000
Де би ви розмістили ваш мозок на цій шкалі?
00:42
Some of us may have opted for one of these extremes,
10
27000
3000
Дехто, ймовірно, вибрав би одне із крайніх положень,
00:45
but I think for most people in the audience,
11
30000
2000
але, я думаю, у більшості присутніх
00:47
your brain is something like this --
12
32000
2000
мозок функціонує так -
00:49
with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
13
34000
3000
з високим рівнем розвитку обох півкуль одночасно.
00:52
It's not like they're mutually exclusive or anything.
14
37000
2000
Вони не виключають одна одну.
00:54
You can be logical and intuitive.
15
39000
2000
Людина може мислити і логічно, і інтуїтивно.
00:56
And so I consider myself one of these people,
16
41000
3000
І себе я також таким вважаю,
00:59
along with most of the other experimental quantum physicists,
17
44000
3000
як і інших фізиків, що експериментують з квантовою механікою.
01:02
who need a good deal of logic
18
47000
2000
Таким людям для системного погляду на складні ідеї
01:04
to string together these complex ideas.
19
49000
2000
потрібна логіка.
01:06
But at the same time, we need a good deal of intuition
20
51000
3000
В той же час, потрібна й інтуіція
01:09
to actually make the experiments work.
21
54000
2000
для планування успішних експериментів.
01:11
How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
22
56000
3000
Як ми розвиваємо інтуїцію? Нам подобається грати з оточуючим світом.
01:14
So we go out and play with it, and then we see how it acts,
23
59000
3000
Ми починаємо експериментувати та грати з навколишнім світом, при цьому спостерігаючи за його реакцією.
01:17
and then we develop our intuition from there.
24
62000
3000
Так і розвивається наша інтуїція.
01:20
And really you do the same thing.
25
65000
2000
Ви напевне чините так само.
01:22
So some intuition
26
67000
2000
Тому інтуїтивно
01:24
that you may have developed over the years
27
69000
2000
з роками ви зрозуміли,
01:26
is that one thing is only in one place at a time.
28
71000
4000
що річ може знаходитись одночасно тільки в одному місці.
01:30
I mean, it can sound weird to think about
29
75000
3000
Сама думка про те, що річ може знаходитись в двох місцях одночасно,
01:33
one thing being in two different places at the same time,
30
78000
4000
може здаватись дивною,
01:37
but you weren't born with this notion, you developed it.
31
82000
3000
але ви не народились з цією ідеєю - ви розвинули її.
01:40
And I remember watching a kid playing on a car stop.
32
85000
3000
Пам'ятаю, як спостерігав за дитиною, що бавилась із огорожею.
01:43
He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
33
88000
3000
Вона тільки починала ходити, і це не зовсім в неї виходило - вона продовжувала спотикатись.
01:46
But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
34
91000
3000
Але я впевнений, що ця гра дала їй цінний урок -
01:49
and that's that large things don't let you get right past them,
35
94000
4000
великі предмети не дозволяють пройти крізь них
01:53
and that they stay in one place.
36
98000
3000
і продовжують залишатись на попередньому місці.
01:56
And so this is a great conceptual model to have of the world,
37
101000
3000
Це прекрасна концептуальна модель світу,
01:59
unless you're a particle physicist.
38
104000
2000
але не для фізиків, що вивчають елементарні частинки.
02:01
It'd be a terrible model for a particle physicist,
39
106000
2000
Для цих вчених це жахлива модель,
02:03
because they don't play with car stops,
40
108000
2000
тому що вони не бавляться з бетонними блоками -
02:05
they play with these little weird particles.
41
110000
3000
вони бавляться з дивними маленькими частинками.
02:08
And when they play with their particles,
42
113000
2000
І коли вони бавляться з цими чатсинками,
02:10
they find they do all sorts of really weird things --
43
115000
2000
то виявляють, що частинки здатні робити дивні речі -
02:12
like they can fly right through walls,
44
117000
3000
літати крізь стіни
02:15
or they can be in two different places at the same time.
45
120000
4000
чи бути в двох місцях одночасно.
02:19
And so they wrote down all these observations,
46
124000
3000
Фізики записали всі ці спостереження
02:22
and they called it the theory of quantum mechanics.
47
127000
4000
і назвали їх теорією квантової механіки.
02:26
And so that's where physics was at a few years ago;
48
131000
3000
Такий був стан фізики декілька років тому;
02:29
you needed quantum mechanics
49
134000
2000
квантова механіка була потрібною
02:31
to describe little, tiny particles.
50
136000
2000
для опису маленьких, крихітних частинок.
02:33
But you didn't need it
51
138000
2000
Але вона не була потрібна
02:35
to describe the large, everyday objects around us.
52
140000
4000
для опису великих об'єктів, які оточують нас щодня.
02:39
This didn't really sit well with my intuition,
53
144000
3000
Однак моя інтуїція підказала мені, що щось тут не так,
02:42
and maybe it's just because I don't play with particles very often.
54
147000
3000
ймовірно, через те, що я не так часто бавлюсь з елементарними частинками.
02:45
Well, I play with them sometimes,
55
150000
2000
Звісно ж, я граю з ними інколи,
02:47
but not very often.
56
152000
2000
але не надто часто.
02:49
And I've never seen them.
57
154000
2000
І я ніколи їх не бачив.
02:51
I mean, nobody's ever seen a particle.
58
156000
3000
Їх взагалі ніхто ніколи не бачив.
02:54
But it didn't sit well with my logical side either.
59
159000
3000
Але логіка підказала мені і зворотнє:
02:57
Because if everything is made up of little particles
60
162000
3000
якщо все створене з елементарних частинок,
03:00
and all the little particles
61
165000
2000
а елементарні чатсинки
03:02
follow quantum mechanics,
62
167000
2000
підлягають законам квантової механіки,
03:04
then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
63
169000
3000
то чому все не підлягає цим законам?
03:09
I don't see any reason why it shouldn't.
64
174000
3000
Я не бачу причини, через яку це могло б бути не так.
03:12
And so I'd feel a lot better about the whole thing
65
177000
2000
Тому я би більше переконався в своїй правоті,
03:14
if we could somehow show
66
179000
2000
якби зміг показати,
03:16
that an everyday object
67
181000
2000
що звичайний предмет
03:18
also follows quantum mechanics.
68
183000
2000
також підлягає законам квантової механіки.
03:20
So a few years ago, I set off to do just that.
69
185000
3000
Декілька років тому я починав працювати над цим.
03:23
So I made one.
70
188000
3000
І я зробив такий предмет.
03:26
This is the first object
71
191000
2000
Це перший в світі
03:28
that you can see
72
193000
2000
видимий для ока об'єкт,
03:30
that has been in a mechanical quantum superposition.
73
195000
3000
який знаходився в квантовій суперпозиції.
03:33
So what we're looking at here
74
198000
2000
Тут ви бачите
03:35
is a tiny computer chip.
75
200000
2000
крихітний комп'ютерний чіп.
03:37
And you can sort of see this green dot right in the middle.
76
202000
3000
Прямо в центрі - зелена точка.
03:40
And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
77
205000
3000
Саме про цей кусочок металу я і розповідаю.
03:43
This is a photograph of the object.
78
208000
2000
Це фотографія об'єкта.
03:45
And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
79
210000
3000
Зараз трохи наближу її. Ми поглянемо 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 це велике збільшення зображення цього куска металу.
03:51
So what we're looking at is a little chunk of metal,
81
216000
2000
Отже ми бачимо маленький кусочок металу,
03:53
and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
82
218000
3000
який має форму трампліну і виступає за край.
03:56
And so I made this thing
83
221000
2000
Цей предмет я зробив
03:58
in nearly the same way as you make a computer chip.
84
223000
2000
майже за тією ж технологією, що використовують для виробництва чіпів.
04:00
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
85
225000
3000
Я зайшов в ідеально чисту кімнату з новенькою кремнієвою заготовкою
04:03
and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
86
228000
3000
і потім запускав всі ці величезні машини, витративши на це біля 100 годин.
04:06
For the last stuff, I had to build my own machine --
87
231000
2000
Для останнього етапу мені довелось побудувати свою власну машину
04:08
to make this swimming pool-shaped hole
88
233000
3000
щоби зробити цей отвір у формі басейну
04:11
underneath the device.
89
236000
2000
під пристроєм.
04:13
This device has the ability
90
238000
2000
Отже цей предмет здатний
04:15
to be in a quantum superposition,
91
240000
2000
знаходитись в квантовій суперпозиції,
04:17
but it needs a little help to do it.
92
242000
2000
але для цього йому потрібно трішки допомогти.
04:19
Here, let me give you an analogy.
93
244000
2000
Зараз наведу вам аналогію.
04:21
You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
94
246000
3000
Ви ж уявляєте, наскільки не зручно знаходитись в переповненому ліфті?
04:24
I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
95
249000
3000
Коли я в ліфті один, то можу робити все чого лиш душа забажає,
04:27
but then other people get on board
96
252000
2000
але коли в ньому знаходяться інші люди,
04:29
and I stop doing those things
97
254000
2000
мені доводиться вгамуватись,
04:31
because I don't want to bother them,
98
256000
2000
тому що я не хочу їх турбувати,
04:33
or, frankly, scare them.
99
258000
3000
і, чесно кажучи, лякати.
04:36
So quantum mechanics says
100
261000
2000
Згідно квантової механіки,
04:38
that inanimate objects feel the same way.
101
263000
3000
неодухотворені предмети ведуть себе подібним чином.
04:41
The fellow passengers for inanimate objects
102
266000
2000
При цьому супутниками для них є
04:43
are not just people,
103
268000
2000
не тільки люди,
04:45
but it's also the light shining on it
104
270000
2000
але і світло, що падає на них,
04:47
and the wind blowing past it and the heat of the room.
105
272000
3000
і вітер, що їх обдуває, і навіть тепло в кімнаті.
04:50
And so we knew, if we wanted to see
106
275000
2000
Тому, щоби побачити, як цей кусочок металу
04:52
this piece of metal behave quantum mechanically,
107
277000
3000
буде підкорятись законам квантової механіки,
04:55
we're going to have to kick out all the other passengers.
108
280000
2000
необхідно видалити всіх "попутників".
04:57
And so that's what we did.
109
282000
2000
Це ми і зробили.
04:59
We turned off the lights,
110
284000
2000
Виключили світло,
05:01
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
111
286000
2000
помістили метал у вакуум і викачали все повітря,
05:03
and then we cooled it down
112
288000
2000
потім охолодили його
05:05
to just a fraction of a degree above absolute zero.
113
290000
2000
майже до абсолютного нуля.
05:07
Now, all alone in the elevator,
114
292000
2000
Тепер, коли він був один "в ліфті",
05:09
the little chunk of metal is free to act however it wanted.
115
294000
2000
маленький кусочок металу може вести себе як йому захочеться.
05:11
And so we measured its motion.
116
296000
2000
А ми в цей час вимірювали його рух.
05:13
We found it was moving in really weird ways.
117
298000
2000
Ми помітили, що він поводить себе вкрай дивно.
05:15
Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
118
300000
3000
Так, замість того, щоби просто знаходитись в спокійному стані, він вібрував.
05:18
and the way it was vibrating was breathing something like this --
119
303000
3000
Вібрував він приблизно так,
05:21
like expanding and contracting bellows.
120
306000
2000
як розширяються та скорочуються ковальські міхи.
05:23
And by giving it a gentle nudge,
121
308000
2000
Коли ми його злегка підштовхнули,
05:25
we were able to make it both vibrate
122
310000
2000
він почав вібрувати
05:27
and not vibrate
123
312000
2000
і не вібрувати
05:29
at the same time --
124
314000
2000
одночасно -
05:31
something that's only allowed with quantum mechanics.
125
316000
3000
так ведуть себе тільки об'єкти квантової механіки.
05:34
So what I'm telling you here is something truly fantastic.
126
319000
3000
Все, що я вам зараз розповідаю, справді фантастично.
05:37
What does it mean for one thing
127
322000
2000
Що означає, коли предмет
05:39
to be both vibrating and not vibrating
128
324000
2000
вібрує і не вібрує
05:41
at the same time?
129
326000
2000
одночасно?
05:43
So let's think about the atoms.
130
328000
2000
Давайте поговоримо про атоми.
05:45
So in one case:
131
330000
2000
Візьмемо такий приклад:
05:47
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
132
332000
3000
всі трильйони атомів, з яких складається кусочок металу,
05:50
are sitting still
133
335000
2000
знаходяться в стані спокою
05:52
and at the same time those same atoms
134
337000
2000
і в той же час вони
05:54
are moving up and down.
135
339000
2000
рухаються вверх і вниз.
05:56
Now it's only at precise times when they align.
136
341000
3000
І тільки в певний час вони вишиковуються в ряди.
05:59
The rest of the time they're delocalized.
137
344000
2000
Решту часу вони знаходяться в делокалізованому стані.
06:01
That means that every atom
138
346000
2000
Тобто кожен атом
06:03
is in two different places at the same time,
139
348000
2000
знаходиться в двох різних місцях одночасно,
06:05
which in turn means the entire chunk of metal
140
350000
3000
що, в свою чергу, означає, що весь кусочок металу
06:08
is in two different places.
141
353000
2000
знаходиться в двох різних місцях.
06:10
I think this is really cool.
142
355000
2000
Я вважаю, це прикольно.
06:12
(Laughter)
143
357000
2000
(Сміх)
06:14
Really.
144
359000
2000
Справді!
06:16
(Applause)
145
361000
3000
(Оплески)
06:19
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
146
364000
5000
Ради цього варто було закритись в стерильній кімнаті на роки.
06:24
because, check this out,
147
369000
2000
Задумайтесь:
06:26
the difference in scale
148
371000
2000
різниця масштабу
06:28
between a single atom and that chunk of metal
149
373000
2000
між атомом і кусочком металу
06:30
is about the same as the difference
150
375000
2000
майже така ж,
06:32
between that chunk of metal and you.
151
377000
2000
як між кусочком металу і людиною.
06:34
So if a single atom can be in two different places at the same time,
152
379000
3000
Якщо атом може знаходитись в двох місцях одночасно
06:37
that chunk of metal can be in two different places,
153
382000
3000
і цей кусочок металу може знаходитись в двох місцях одночасно,
06:40
then why not you?
154
385000
2000
то чому не людина?
06:42
I mean, this is just my logical side talking.
155
387000
3000
Така ось логіка моїх роздумів.
06:46
So imagine if you're in multiple places at the same time,
156
391000
4000
Уявіть собі, якби ви знаходились в різних місцях одночасно,
06:50
what would that be like?
157
395000
3000
як би ви себе відчували?
06:53
How would your consciousness
158
398000
2000
Як ваша свідомість
06:55
handle your body being delocalized in space?
159
400000
4000
справлялась би з тим, що ваше тіло делокалізоване?
06:59
There's one more part to the story.
160
404000
2000
Але це ще не вся історія.
07:01
It's when we warmed it up,
161
406000
2000
Якщо ми підігріємо [кусок металу],
07:03
and we turned on the lights and looked inside the box,
162
408000
3000
ввімкнемо світло і заглянемо в коробку,
07:06
we saw that the piece metal was still there in one piece.
163
411000
4000
то побачимо, що він як і раніше там, в єдиному стані.
07:10
And so I had to develop this new intuition,
164
415000
3000
І інтуїтивно я думаю,
07:13
that it seems like all the objects in the elevator
165
418000
3000
що всі предмети в ліфті
07:16
are really just quantum objects
166
421000
2000
також є об'єктами квантової механіки,
07:18
just crammed into a tiny space.
167
423000
2000
скупченими в крихітному просторі.
07:20
You hear a lot of talk
168
425000
2000
Ви багато чули про те,
07:22
about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
169
427000
3000
що, згідно квантової механіки, все взаємозв'язано.
07:25
Well, that's not quite right.
170
430000
2000
Це не зовсім так;
07:27
It's more than that; it's deeper.
171
432000
3000
насправді все набагато серйозніше.
07:30
It's that those connections,
172
435000
2000
Саме всі ці зв'язки,
07:32
your connections to all the things around you,
173
437000
3000
ваші зв'язки зі всіма об'єктами, що вас оточують,
07:35
literally define who you are,
174
440000
3000
в буквальному змісті визначають те, хто ви є.
07:38
and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
175
443000
3000
І це найбільше дивина квантової механіки.
07:41
Thank you.
176
446000
2000
Дякую вам.
07:43
(Applause)
177
448000
2000
(Оплески)
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