Neviens šajā pasaulē nesaprot, kas ir kvantu mehānika. Tas, iespējams, ir vissvarīgākais, kas jums jāzina par viņu. Protams, daudzi fiziķi ir iemācījušies izmantot likumus un pat paredzēt parādības, pamatojoties uz kvantu aprēķināšanu. Bet joprojām nav skaidrs, kāpēc eksperimenta novērotājs nosaka sistēmas uzvedību un liek tai veikt vienu no diviem stāvokļiem.
Šeit ir daži eksperimentu piemēri ar rezultātiem, kas nenovēršami mainīsies novērotāja ietekmē. Viņi parāda, ka kvantu mehānika praktiski nodarbojas ar apzinātas domas iejaukšanos materiālajā realitātē.
Mūsdienās ir daudz kvantu mehānikas interpretāciju, taču, iespējams, slavenākā ir Kopenhāgenas interpretācija. 1920. gados tā vispārējos postulātus formulēja Nīls Bohrs un Verners Heisenbergs.
Kopenhāgenas interpretācija balstās uz viļņu funkciju. Tā ir matemātiska funkcija, kas satur informāciju par visiem iespējamiem kvantu sistēmas stāvokļiem, kuros tā pastāv vienlaicīgi. Saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju sistēmas stāvokli un tā stāvokli attiecībā pret citiem stāvokļiem var noteikt tikai ar novērošanu (viļņu funkciju izmanto tikai, lai matemātiski aprēķinātu varbūtību atrast sistēmu vienā vai otrā stāvoklī).
Mēs varam teikt, ka pēc novērošanas kvantu sistēma kļūst klasiska un nekavējoties pārstāj eksistēt citos stāvokļos, nevis tajā, kurā tā tika novērota. Šis secinājums atrada savus pretiniekus (atcerieties slaveno Einšteina "Dievs nespēlē kauliņus"), taču aprēķinu un prognožu precizitātei joprojām bija savs.
Neskatoties uz to, Kopenhāgenas interpretācijas atbalstītāju skaits samazinās, un galvenais iemesls tam ir noslēpumainais momentānais viļņa funkcijas sabrukums eksperimenta laikā. Ervina Šrēdingera slavenajam domu eksperimentam ar nabadzīgu kaķi vajadzētu parādīt šīs parādības absurdu. Atcerēsimies detaļas.
Melnās kastes iekšpusē sēž melns kaķis, un līdz ar to - indes pudele un mehānisms, kas nejauši var atbrīvot indi. Piemēram, radioaktīvs atoms var sadalīt burbuli sabrukšanas laikā. Precīzs atoma sabrukšanas laiks nav zināms. Ir zināms tikai pusperiods, kura laikā sabrukšana notiek ar 50% varbūtību.
Acīmredzot ārējam novērotājam kaķis kastes iekšpusē ir divos stāvokļos: tas ir vai nu dzīvs, ja viss noritējis labi, vai miris, ja sabrukšana ir notikusi un pudele ir salauzta. Abus šos stāvokļus raksturo kaķa viļņu funkcija, kas laika gaitā mainās.
Reklāmas video:
Jo vairāk laika pagājis, jo lielāka iespējamība, ka ir notikusi radioaktīvā sabrukšana. Bet, tiklīdz mēs atveram lodziņu, viļņu funkcija sabrūk, un mēs uzreiz redzam šī necilvēcīgā eksperimenta rezultātus.
Faktiski, kamēr novērotājs neatver lodziņu, kaķis bezgalīgi līdzsvaro dzīvību un nāvi, vai arī vienlaikus būs dzīvs un miris. Tās likteni var noteikt tikai ar novērotāja rīcību. Uz šo absurdu norādīja Šrēdingers.
1. Elektronu difrakcija
Saskaņā ar The New York Times slavenu fiziķu aptauju, elektronu difrakcijas eksperiments ir viens no pārsteidzošākajiem pētījumiem zinātnes vēsturē. Kāda ir tā būtība? Ir avots, kas izstaro elektronu staru uz gaismas jutīgu ekrānu. Un šo elektronu ceļā ir šķērslis, vara plāksne ar divām spraugām.
Kādu attēlu jūs varat sagaidīt uz ekrāna, ja elektronus mums parasti uzrāda kā mazas lādētas bumbiņas? Divas svītras pretī vara plāksnes spraugām. Bet patiesībā ekrānā parādās daudz sarežģītāks mainīgu baltu un melnu svītru raksts. Tas ir saistīts ar faktu, ka, pārejot caur spraugu, elektroni sāk izturēties ne tikai kā daļiņas, bet arī kā ar viļņiem (fotoni vai citas gaismas daļiņas rīkojas vienādi, kas vienlaikus var būt arī vilnis).
Šie viļņi mijiedarbojas telpā, saduras un pastiprina viens otru, un rezultātā ekrānā tiek parādīts sarežģīts mainīgu gaišu un tumšu svītru raksts. Tajā pašā laikā šī eksperimenta rezultāts nemainās, pat ja elektroni iet pa vienam - pat viena daļiņa var būt vilnis un vienlaikus iziet cauri diviem spraugām. Šis postulāts bija viens no galvenajiem kvantu mehānikas Kopenhāgenas interpretācijā, kad daļiņas vienlaikus kā vilnis var demonstrēt savas “parastās” fizikālās īpašības un eksotiskās īpašības.
Bet kā ar novērotāju? Tieši viņš padara šo samudžināto stāstu vēl mulsinošāku. Kad fiziķi šādu eksperimentu laikā ar instrumentu palīdzību mēģināja noteikt, caur kuru šķēlumu elektrons faktiski iziet, attēls uz ekrāna krasi mainījās un kļuva par “klasisko”: ar diviem apgaismotiem sekcijām stingri pretī spraugām, bez nevienām mainīgām svītrām.
Elektroni, šķiet, negribīgi atklāja savu viļņu raksturu novērotāju modrai acij. Tas izskatās kā tumsā apslēpta noslēpums. Bet ir arī vienkāršāks skaidrojums: sistēmas uzraudzību nevar veikt, to fiziski neietekmējot. Par to mēs diskutēsim vēlāk.
2. Apsildāmās fullēni
Daļiņu difrakcijas eksperimenti tika veikti ne tikai ar elektroniem, bet arī ar citiem, daudz lielākiem objektiem. Piemēram, viņi izmantoja fullerēnus, lielas un slēgtas molekulas, kas sastāv no vairākiem desmitiem oglekļa atomu. Nesen Vīnes universitātes zinātnieku grupa profesora Zeilingera vadībā mēģināja šajos eksperimentos iekļaut novērošanas elementu. Lai to izdarītu, viņi apstaroja kustīgās fullēna molekulas ar lāzera stariem. Tad, sasildītas ar ārēju avotu, molekulas sāka kvēlot un nenovēršami parādīja savu klātbūtni novērotājam.
Līdz ar šo jauninājumu ir mainījusies arī molekulu uzvedība. Pirms šāda visaptveroša novērojuma sākšanas fullerēni bija diezgan veiksmīgi izvairījušies no šķēršļiem (uzrādot viļņu īpašības), līdzīgi kā iepriekšējais piemērs, kad elektroniem trāpīja ekrāns. Bet ar novērotāja klātbūtni fullerēni sāka uzvesties kā pilnīgi likumpaklausīgas fiziskas daļiņas.
3. Dzesēšanas dimensija
Viens no slavenākajiem likumiem kvantu fizikā pasaulē ir Heizenberga nenoteiktības princips, saskaņā ar kuru nav iespējams vienlaikus noteikt kvantu objekta ātrumu un stāvokli. Jo precīzāk mēs izmērām daļiņas impulsu, jo mazāk precīzi mēs varam izmērīt tās stāvokli. Tomēr mūsu makroskopiskajā reālajā pasaulē kvantu likumu spēkā esamība, kas iedarbojas uz sīkām daļiņām, parasti paliek nepamanīta.
Nesenie ASV profesora Švāba eksperimenti ir ļoti vērtīgs ieguldījums šajā jomā. Šajos eksperimentos kvanta iedarbība tika parādīta nevis elektronu vai fullēna molekulu līmenī (ar aptuveno diametru 1 nm), bet uz lielākiem objektiem - niecīga alumīnija lente. Šī lente bija piestiprināta abās pusēs tā, lai tās vidusdaļa būtu apturēta un ārējā ietekmē varētu vibrēt. Turklāt tuvumā tika novietota ierīce, kas varētu precīzi reģistrēt lentes atrašanās vietu. Eksperimentā atklājās vairākas interesantas lietas. Pirmkārt, visi mērījumi, kas saistīti ar objekta stāvokli un lentes novērošanu, to ietekmēja, pēc katra mērījuma lentes atrašanās vieta mainījās.
Eksperimenti ar lielu precizitāti noteica lentes koordinātas un tādējādi saskaņā ar Heizenberga principu mainīja tās ātrumu un līdz ar to arī turpmāko pozīciju. Otrkārt, diezgan negaidīti, daži mērījumi noveda pie lentes atdzišanas. Tādējādi novērotājs var mainīt objektu fiziskās īpašības tikai ar savu klātbūtni.
4. Saldēšanas daļiņas
Kā jūs zināt, nestabilas radioaktīvās daļiņas sadalās ne tikai eksperimentos ar kaķiem, bet arī pašas par sevi. Katrai daļiņai ir vidējais dzīves ilgums, kas, kā izrādās, var palielināties zem novērotāja modras acs. Šis kvantu efekts tika prognozēts jau 60. gados, un tā izcili eksperimentālie pierādījumi parādījās dokumentā, kuru publicēja grupa, kuru vadīja Nobela prēmijas laureāts fizikā Volfgangs Ketterle no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta.
Šajā darbā tika pētīta nestabilu ierosinātu rubīdija atomu sabrukšana. Tūlīt pēc sistēmas sagatavošanas atomi tika uzbudināti, izmantojot lāzera staru. Novērošana notika divos režīmos: nepārtraukts (sistēma tika pastāvīgi pakļauta maziem gaismas impulsiem) un impulss (sistēma laiku pa laikam tika apstarota ar jaudīgākiem impulsiem).
Iegūtie rezultāti pilnībā saskan ar teorētiskajām prognozēm. Ārējie gaismas efekti palēnina daļiņu sabrukšanu, atjaunojot tās sākotnējā stāvoklī, kas ir tālu no sabrukšanas stāvokļa. Šīs ietekmes lielums arī atbilda prognozēm. Nestabilu satrauktu rubīdija atomu maksimālais kalpošanas laiks palielinājās 30 reizes.
5. Kvantu mehānika un apziņa
Elektroni un fullerēni vairs neuzrāda viļņu īpašības, alumīnija plāksnes atdziest un nestabilas daļiņas palēnina to sabrukšanu. Skatītāja modrā acs burtiski maina pasauli. Kāpēc tas nevar būt pierādījums mūsu prāta iesaistei pasaules darbībā? Varbūt Karlam Jungam un Volfgangam Pauli (austriešu fiziķis, Nobela prēmijas laureāts, kvantu mehānikas pionieris) taisnība bija galu galā, kad viņi teica, ka fizikas un apziņas likumi ir jāuzskata par viens otru papildinošiem?
Mēs esam viena soļa attālumā no atzīšanas, ka pasaule ap mums ir tikai mūsu prāta iluzors produkts. Ideja ir biedējoša un vilinoša. Mēģināsim vēlreiz vērsties pie fiziķiem. Īpaši pēdējos gados, kad arvien mazāk cilvēku tic, ka Kopenhāgenas interpretācija par kvantu mehāniku ar tās kripto viļņu funkciju sabrūk, atsaucoties uz ikdienišķāku un uzticamāku nošķirtību.
Lieta ir tāda, ka visos šajos eksperimentos ar novērojumiem eksperimentētāji neizbēgami ietekmēja sistēmu. Viņi to apgaismoja ar lāzeru un uzstādīja mērīšanas ierīces. Viņus vieno svarīgs princips: jūs nevarat novērot sistēmu vai izmērīt tās īpašības, nedarbojoties ar to. Jebkura mijiedarbība ir īpašību modificēšanas process. It īpaši, ja niecīga kvantu sistēma ir pakļauta kolosāliem kvantu objektiem. Kāds mūžīgi neitrāls budistu novērotājs principā nav iespējams. Un šeit spēlē terminu “decoherence”, kas no termodinamiskā viedokļa ir neatgriezenisks: sistēmas kvantu īpašības mainās, mijiedarbojoties ar citu lielu sistēmu.
Šīs mijiedarbības laikā kvantu sistēma zaudē sākotnējās īpašības un kļūst klasiska, it kā "paklausot" lielai sistēmai. Tas izskaidro arī Šrēdingera kaķa paradoksu: kaķim ir pārāk liela sistēma, tāpēc to nevar izolēt no pārējās pasaules. Šis domu eksperimenta dizains nav pilnīgi pareizs.
Jebkurā gadījumā, ja mēs pieņemam, ka radīšanas akts notiek pēc apziņas, tad dekoherence šķiet daudz ērtāka pieeja. Varbūt pat pārāk ērti. Ar šo pieeju visa klasiskā pasaule kļūst par vienu no lielām dekoherences sekām. Un kā paziņoja vienas no slavenākajām grāmatām šajā jomā, šī pieeja loģiski noved pie tādiem apgalvojumiem kā "pasaulē nav daļiņu" vai "nav laika fundamentālā līmenī".
Vai tā ir taisnība radītājā-novērotājā vai spēcīgā nodomāšanā? Mums jāizvēlas starp diviem ļaunumiem. Neskatoties uz to, zinātnieki arvien vairāk pārliecinās, ka kvantu ietekme ir mūsu garīgo procesu izpausme. Un tas, kur beidzas novērošana un sākas realitāte, ir atkarīgs no katra no mums.
Balstīts uz topinfopost.com materiāliem