Yegor Zadeba rääkis, kuidas mikrokosmi seadused mõjutavad makrokosmi, millega oleme harjunud.
Avaldasime hiljuti intervjuu füüsiku Dmitri Sidoriniga, et elame suure tõenäosusega Maatriksis, mille lõi loodus ise ja maailm meie ümber on vaid illusioon. Lugejaid vapustas eriti sipelgakujutis: kui ta Universumit vaatab, kas see eksisteerib, väsib, sulgeb silmad, ja ongi käes, maailma lõpp? Otsustasime teema juurde taas naasta ja vestlesime riikliku teadusuuringute tuumaülikooli MEPhI dotsendi Egor Zadebaga. Sügavuti lootsid nad, et Yegor Aleksandrovitš laskub laulusõnade igapäevaelus pisut kõrget füüsikat: elada ja sõltuvalt sipelgast on kuidagi hirmutav. Vaatame, kas see õnnestus.
Kvantmehaanika ütleb: kui vaatame maailma, siis see muutub (määramatuse põhimõte). Võib-olla ilma meie pilguta seda lihtsalt ei eksisteeri. Ja kui sipelgas otsib? Loom?
“Rangelt võttes ei tee kvantmehaanika selliseid väiteid. Pigem on see oma tunnuste populaarteaduslik tõlgendus. Kõige sagedamini räägitakse Heisenbergi määramatuse põhimõtte selgitamisel vaatleja mõjust füüsikaliste protsesside käigule. Vaatleja füüsikas tähendab iga mõõteseadet, olgu see siis eriseade või inimsilm. Nägemise, kuulmise ja lõhnaga sipelgas on ka klassikaline vaatleja. Kuid kui annate sipelgale interferomeetri, siis saab seade ise vaatlejaks. Kuidas vaatlus subjekti mõjutab? Näiteks selleks, et midagi mikroskoobi kaudu näha, peate selle objekti valgusega kiiritama - see hajub, peegeldub sellest, teisisõnu, kui me vaatleme, mõjutame seda objekti.
Saame nüüd aru, mis on määramatuse põhimõte. Tavaliselt mõistetakse selle nähtuse all elementaarse osakese või näiteks aatomituuma koordinaatide (asukoht ruumis) ja impulsi (klassikalises mehaanikas see on mass, mis korrutatakse kiirusega) absoluutselt täpselt üheaegse mõõtmise võimatust. Mõlema mõõtmistäpsust piirab Plancki konstant (selle kohta - allpool). Asi pole selles, et meil on halvad instrumendid, ja kunagi teeme mõõtmised absoluutselt täpselt. See on põhimõtteline piirang, mis ei sõltu meie riistvarast. Nii töötab loodus.
Kuidas see reaalses katses välja näeb? Kujutage ette, et pildistate elementaarset osakest. Kui valite kiireima säriaja, teete ilusa ja terava pildi, mille abil saab osakese asukohta väga täpselt mõõta. Kuid pole võimalik aru saada, kus ja millise kiirusega see liigub - see on lihtsalt punkt. Liikudes edasi plaani B juurde - muudame säriaega pikemaks, saame uduse pildi, mis näitab, et meie pildistamise ajal on osake läbinud teatud tee ühest punktist teise. Sellise foto abil saame hõlpsalt kindlaks määrata osakese kiiruse ja teades selle massi, siis ka impulssi. Kuid häguse pildi tõttu ei saa koordinaati täpselt kindlaks määrata. Mida pikem on säriaeg, seda pikemat aega on osake teinud ja seda täpsemalt mõõdame impulssi. Kuid koordinaatide mõõtmise täpsus langeb.
Määramatuse põhimõte ei piirdu ainult impulsi ja koordinaadi lingiga. Täpselt sama pilt ilmub näiteks aja- ja energiapaaris. Ja kuigi teaduse populariseerijad räägivad sellest harvemini, kasutavad füüsikud seda kimpu palju sagedamini, põhinevad paljud teaduslikud meetodid sellel.
Kõige silmatorkavam näide: ilma sellise ebakindluseta ei saaks me kunagi mõõta paljude elementaarosakeste eluiga! Mõned osakesed elavad vaid 10 kuni 23 kraadi sekundis. Raske on ette kujutada, kui lühike see ajavahemik on. Näiteks suudab valgus selle aja jooksul läbida väiksema aatomi tuuma suuruse või ühe tuhandiku aatomi suuruse. Me poleks kunagi ehitanud sellist kella, mis suudaks mõõta nii lühikest aega. Ja ikkagi suutsid füüsikud mõõta selliste osakeste eluiga. Ebakindluse põhimõte aitab meid. Kiirendi abil mõõdetakse mass, mõõdetakse tuhandeid kordi. Füüsikas on mass ja energia ekvivalentsed (kuulus E = mc2), mis tähendab, et me tunneme ka energiat. Ajavahemik on osakese eluiga: mida lühem see on, seda rohkem mass erineb igas järgnevas mõõtmes. Kuulsite õigestiosakese mass on iga kord erinev. Meie jaoks jääb Plancki konstandi jagamine mõõdetud massi hajuvuse järgi - ja ongi kõik, oleme lühiajalise osakese eluea suure täpsusega kindlaks määranud.
Reklaamvideo:
Kuid määramatuse põhimõtte praktiline rakendamine ei piirdu sellega. Samuti on võimalik lahendada pöördprobleeme: määrata energiamuutused ajavahemike kaupa. Just tänu sellele efektile võivad "virtuaalsed osakesed" eksisteerida. Nende olemasolu viib tõsiasjani, et vaakumil on universumi mis tahes osas mass. Ja ka nende tõttu aurustuvad mustad augud.
Üks MEPhI professor naljatas loengus südames, et väga lühikese aja jooksul ilmusid publiku ette mateeriast ja antimaterjalist koosnevad bussid, mis hävivad ja me ei pane seda isegi tähele. See on nali, kuid see ei lähe vastuollu meie teadusega.
Yegor Zadeba rääkis, kuidas mikrokosmi seadused mõjutavad makrokosmi, millega oleme harjunud.
Räägime Plancki konstandist. Populaarses kirjanduses öeldakse, et see on piir meie selgelt määratletud, "õige" maailma ja mikrokosmi vahel, mis tuletab meelde fantastilist unistust. Milline konstant see on?
- Plancki konstant on füüsikaline konstant, mis seob näiteks footoni lainepikkust ja selle energiat. Lihtsamalt öeldes: mida pikem on footoni lainepikkus, seda vähem on selle energiat ja meie konstant on lihtsalt proportsionaalsuse koefitsient. Raadiolaine energia on väiksem kui nähtava valguse ja selle footonid on vähem energeetilised kui röntgenikiirgus. Kaasaegses füüsikas ilmub Plancki konstant võrdselt paljude teiste põhikonstantidega, näiteks peenstruktuuri konstandiga. Ma ei määratleks makro- ja mikrokosmi vahelist piiri Plancki konstandi järgi. Reeglina ei näe me oma “suures maailmas” dekoorentsuse tõttu kvantmõjusid.
Mis see on?
- Kujutage ette, et olete ehitaja ja teil on raskeveokite telliseid (ehituskvante). Midagi väiksemat kui tellise suurus kokku koguda ei õnnestu, nad ei torka. Ka pooleteise tellise suurusega objekti kokkupanek ebaõnnestub. Neist maja saab aga kokku panna mis tahes kujuga, kuskil mängida tühimikuga, kuskil lahenduskogusega. See tähendab, et ehitatava materjali suuruse vähenemisega muutub ehitusmaterjali jagamatus (kvantimine) märgatavaks. Kui selles näites on piir mikro- ja makrokosmi vahel, otsustage ise.
Kas mikrokosmi seadused võivad endiselt tungida meie maailma?
- Üks mikromaailma peamisi seadusi on juba nimetatud kvantimine. Näiteks võib satelliit pöörduda meie planeedi ümber väga erinevatel orbiitidel, see võib laskuda meetri võrra madalamale, kõrgemale, see pole palju piiratud. Kuid aatomi elektronil peab olema rangelt fikseeritud orbitaal, milles tal on fikseeritud energia. Aatomi ergastamiseks ja elektroni ülekandmiseks kõrgemale energiatasandile peab see kandma energiat rangelt võrdseks orbitaalide vahega. Aatom ei võta vastu muud energiat. Sel põhjusel on klaas muide läbipaistev - valgust ei saa selle aatomitesse absorbeerida, nähtava valguse footonite energia ei vasta ühelegi elektroonilisele üleminekule klaasis.
Tavaliselt on kvantmõjud makrokosmoses ultravoolu temperatuuridel selgelt nähtavad. Soojas aines liiguvad aatomid, elektronid on ergastatud olekus ja energiatase on hägustunud. Kuid temperatuuril nulli Kelvini (-273,15 kraadi) lähedal on aatomid puhkeasendis, erutust pole ja kõik nad käituvad ühtemoodi. Sellistes tingimustes olev aine võib anda või võtta vastu rangelt fikseeritud osa energiat. Näiteks ei kaota külm vedelik hõõrdumisest energiat ega võta seda vastu, sest sellest ei piisa "külmunud" aatomite erutamiseks. Ilmub ülilihtne nähtus, mis on tänapäevases tehnoloogias väga oluline. Lisaks ülijuhtivusele on need selged näited kvantmõjude avaldumisest meie maailmas. Teatud mõttes on tehnoloogia juba hägustanud maailmade vahelise piiri ja inimene rakendab "kummalise maailma" mõjusid oma igapäevaelus.
Kas teisest dimensioonist olendid võivad meie juurde tulla?
- Ära võta teisi mõõtmeid sõna otseses mõttes. Katseandmed ei näita uute mõõtmiste olemasolu. Enamikus teooriates tekkisid need käepärase matemaatilise trikkina keerukate probleemide elegantseks lahendamiseks. Paljusid neist saab lahendada tingimusel, et mõõtmised on lõpmatud. Kuid isegi teoreetilised füüsikud ei kaota kontakti reaalsusega. Ja kõik kinnitatud teooriad projitseerivad lõpuks palju "lisamõõtmeid" neile, millest me aru saame: pikkus, laius, kõrgus ja aeg.
Kuidas ette kujutada täiendavaid mõõtmeid? Kujutage ette, et näete voolikut eemalt. Teile tundub see ühemõõtmeline - sellel on ainult pikkus. Ja alles siis, kui jõuate otse lähedale, märkate, et see pole lihtsalt mahukas, vaid sellel on värv, lõhn ja paljud muud omadused (mõõtmed). Seetõttu ei tohiks inimkonda võrrelda "ussiga tasasel laual", mis ei suuda uusi mõõtmeid märgata. Me näeme piisavalt ja uute ruumide kasutuselevõtt on ainult mugav meetod probleemide lahendamiseks.
EVGENY ARSYUKHIN
