Keegi siin maailmas ei mõista, mis on kvantmehaanika. See on võib-olla kõige olulisem asi, mida peate temast teadma. Muidugi on paljud füüsikud õppinud seadusi kasutama ja isegi kvantarvutusel põhinevaid nähtusi ennustama. Kuid on endiselt ebaselge, miks eksperimendi vaatleja määrab süsteemi käitumise ja paneb selle võtma ühe kahest olekust.
Siin on mõned näited katsetest tulemustega, mis vaatleja mõjul paratamatult muutuvad. Need näitavad, et kvantmehaanika tegeleb praktiliselt teadliku mõtte sekkumisega materiaalsesse reaalsusesse.
Kvantmehaanika tõlgendusi on tänapäeval palju, kuid kõige kuulsam on Kopenhaageni tõlgendus. 1920. aastatel sõnastasid selle üldised postulaadid Niels Bohr ja Werner Heisenberg.
Kopenhaageni tõlgendus põhineb lainefunktsioonil. See on matemaatiline funktsioon, mis sisaldab teavet kvantisüsteemi kõigi võimalike olekute kohta, milles see eksisteerib samaaegselt. Kopenhaageni tõlgenduse kohaselt saab süsteemi olekut ja selle asukohta teiste olekute suhtes määrata ainult vaatlusega (lainefunktsiooni kasutatakse ainult süsteemi leidmise tõenäosuse matemaatiliseks arvutamiseks ühes või teises olekus).
Võime öelda, et pärast vaatlust muutub kvantisüsteem klassikaliseks ja lakkab kohe eksisteerimast teistes olekutes kui selles, milles seda vaadeldi. See järeldus leidis oma vastased (pidage meeles kuulsat Einsteini "Jumal ei mängi täringuid"), kuid arvutuste ja ennustuste täpsusel oli siiski oma.
Sellest hoolimata väheneb Kopenhaageni tõlgenduse toetajate arv ja selle peamiseks põhjuseks on lainefunktsiooni salapärane hetkeline varisemine eksperimendi ajal. Erwin Schrödingeri kuulus mõttekatse vaese kassiga peaks demonstreerima selle nähtuse absurdsust. Pidagem meeles detaile.
Musta kasti sees istub must kass, lisaks pudel mürki ja mehhanism, mis võib juhuslikult mürki vabastada. Näiteks võib radioaktiivne aatom murdumise ajal mulli murda. Aatomi täpne lagunemisaeg pole teada. On teada ainult selle poolestusaeg, mille jooksul lagunemine toimub 50% tõenäosusega.
Ilmselt on välise vaatleja jaoks kasti sees olev kass kahes olekus: ta on kas elus, kui kõik läks hästi, või surnud, kui lagunemine on toimunud ja pudel on purunenud. Mõlemat nimetatud olekut kirjeldab kassi lainefunktsioon, mis aja jooksul muutub.
Reklaamvideo:
Mida aeg edasi, seda tõenäolisemalt on aset leidnud radioaktiivne lagunemine. Kuid niipea kui kasti avame, lainefunktsioon variseb ja näeme kohe selle ebainimliku eksperimendi tulemusi.
Tegelikult, kuni vaatleja kasti avab, tasakaalustab kass lõputult elu ja surma vahel või on samal ajal elus ja surnud. Selle saatust saab määrata ainult vaatleja tegevuse kaudu. Sellele absurdsusele tõi Schrödinger välja.
1. Elektronide difraktsioon
The New York Timesi kuulsate füüsikute uuringu kohaselt on elektronide difraktsioonieksperiment teaduse ajaloo üks hämmastavamaid uuringuid. Mis on selle olemus? On olemas allikas, mis kiirgab elektronide kiirt valgustundlikule ekraanile. Ja nende elektronide teel on takistus, kahe piluga vaskplaat.
Millist pilti võite ekraanilt oodata, kui elektronid esitatakse meile tavaliselt väikeste laetud kuulidena? Kaks triipu vaskplaadi pilude vastas. Kuid tegelikult ilmub ekraanile palju keerukam vahelduvate valgete ja mustade triipude muster. See on tingitud asjaolust, et pilu läbides hakkavad elektronid käituma mitte ainult nagu osakesed, vaid ka nagu lained (footonid või muud valgusosakesed käituvad ühtemoodi, mis võib olla samal ajal ka laine).
Need lained interakteeruvad ruumis, põrkudes ja tugevdades üksteist ning selle tulemusel kuvatakse ekraanil keerukate vahelduvate heledate ja tumedate triipude muster. Samal ajal ei muutu selle katse tulemus, isegi kui elektronid mööduvad ükshaaval - isegi üks osake võib olla laine ja läbida samaaegselt kahte pilu. See postulaat oli üks peamisi kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgenduses, kui osakesed saavad samaaegselt näidata oma "tavalisi" füüsikalisi omadusi ja eksootilisi omadusi nagu laine.
Aga kuidas on vaatlejaga? Just tema teeb selle sassis loo veelgi segasemaks. Kui füüsikud üritasid selliste katsete ajal mõõteriistade abil kindlaks teha, millist pilu elektron tegelikult läbib, siis ekraanil olev pilt muutus dramaatiliselt ja muutus "klassikaliseks": kahe valgustatud lõiguga rangelt pilude vastas, ilma ühegi vahelduva triibuta.
Elektronid tundusid vastumeelsed, et vaatlejate valvsusele oma laine olemust paljastada. See näeb välja nagu pimeduses varjunud mõistatus. Kuid on ka lihtsam seletus: süsteemi jälgimist ei saa läbi viia ilma seda füüsiliselt mõjutamata. Me arutame seda hiljem.
2. Kuumutatud fullereenid
Osakeste difraktsioonikatsed viidi läbi mitte ainult elektronidega, vaid ka teiste, palju suuremate objektidega. Näiteks kasutasid nad fullereene, suuri ja suletud molekule, mis koosnesid mitmetest kümnetest süsinikuaatomitest. Hiljuti püüdis Viini ülikooli teadlaste rühm professor Zeilingeri juhtimisel neisse katsetesse kaasata vaatluse elementi. Selleks kiiritasid nad liikuvaid fulreeni molekule laserkiirtega. Seejärel, välise allika kuumutamisel, hakkasid molekulid hõõguma ja ilmutasid vaatleja jaoks paratamatult oma olemasolu.
Koos selle uuendusega on muutunud ka molekulide käitumine. Enne sellise ulatusliku vaatluse algust olid fullereenid üsna edukad takistuste (laineomaduste ilmnemise) vältimisel, sarnaselt eelmisele näitele, kus elektronid löövad ekraanile. Kuid vaatleja juuresolekul hakkasid fullereenid käituma nagu täiesti seaduskuulekad füüsilised osakesed.
3. Jahutusmõõt
Kvantfüüsika maailmas on üks kuulsamaid seadusi Heisenbergi määramatuse printsiip, mille kohaselt pole kvantobjekti kiirust ja asukohta võimalik korraga kindlaks määrata. Mida täpsemini mõõdame osakese hoogu, seda vähem täpselt saame selle asukohta mõõta. Kuid meie makroskoopilises reaalses maailmas jääb pisikestele osakestele mõjuvate kvantiseaduste kehtivus tavaliselt märkamata.
USA professor Schwabi hiljutised katsed annavad selles valdkonnas väga väärtusliku panuse. Nendes katsetes kvantmõju ei näidatud mitte elektronide või fullereeni molekulide tasemel (ligikaudse läbimõõduga 1 nm), vaid suurematel objektidel - pisikesel alumiiniumribal. See lint kinnitati mõlemale küljele nii, et selle kese oli riputatud olekus ja võis välise mõju all vibreerida. Lisaks asetati läheduses seade, mis suudab lindi asukoha täpselt registreerida. Katse käigus selgus mitmeid huvitavaid asju. Esiteks mõjutasid seda kõik objekti asukoha ja lindi vaatlusega seotud mõõtmised, pärast iga mõõtmist lindi asukoht muutus.
Katsetajad määrasid suure täpsusega lindi koordinaadid ja muutsid vastavalt Heisenbergi põhimõttele selle kiirust ja seega ka järgnevat asukohta. Teiseks, üsna ootamatult viisid mõned mõõtmised lindi jahtumiseni. Seega saab vaatleja objektide füüsikalisi omadusi oma pelgalt kohaloleku abil muuta.
4. Külmutavad osakesed
Nagu teate, lagunevad ebastabiilsed radioaktiivsed osakesed mitte ainult katsetes kassidega, vaid ka iseenesest. Igal osakesel on keskmine eluiga, mis, nagu selgub, võib vaatleja valvsuse all suureneda. Seda kvantmõju ennustati juba 1960. aastatel ja selle hiilgavad eksperimentaalsed tõendid ilmusid paberil, mille avaldas grupp, mida juhtis Nobeli preemia võitnud füüsik Wolfgang Ketterle MIT-ist.
Selles töös uuriti ebastabiilsete ergastatud rubiidiumi aatomite lagunemist. Vahetult pärast süsteemi ettevalmistamist ergastati aatomeid laserkiire abil. Vaatlus toimus kahes režiimis: pidev (süsteem oli pidevalt avatud väikeste valguse impulssidega) ja impulss (süsteem kiiritati aeg-ajalt võimsamate impulssidega).
Saadud tulemused olid täielikus kooskõlas teoreetiliste ennustustega. Välised valgusefektid aeglustavad osakeste lagunemist, naastes need algsesse olekusse, mis on lagunemisastmest kaugel. Selle mõju ulatus oli samuti kooskõlas prognoosidega. Ebastabiilsete ergastatud rubiidiumi aatomite maksimaalne eluiga suurenes 30 korda.
5. Kvantmehaanika ja teadvus
Elektronid ja fullereenid ei näita enam oma laineomadusi, alumiiniumplaadid jahtuvad ja ebastabiilsed osakesed aeglustavad nende lagunemist. Vaataja valvsa silmaga muudab sõna otseses mõttes maailma. Miks ei saa see olla tõend meie mõtete kaasamisest maailma toimimisse? Võib-olla olid Carl Jungil ja Wolfgang Paulil (Austria füüsik, Nobeli preemia laureaat, kvantmehaanika pioneer) õigesti, kui nad ütlesid, et füüsika ja teadvuse seadusi tuleks üksteisele täiendada?
Oleme ühe sammu kaugusel äratundmisest, et maailm meie ümber on vaid meie mõtte illusoorne toode. Idee on hirmutav ja ahvatlev. Proovime uuesti pöörduda füüsikute poole. Eriti viimastel aastatel, kui üha vähem inimesi usub, et kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgendus koos selle krüptilise lainefunktsiooniga variseb kokku, viidates igapäevasemale ja usaldusväärsemale dehherentsusele.
Asi on selles, et kõigis neis vaatlustes tehtud katsetes mõjutasid eksperimenteerijad süsteemi paratamatult. Nad süütasid selle laseriga ja paigaldasid mõõteseadmed. Neid ühendas oluline põhimõte: te ei saa süsteemi jälgida ega selle omadusi mõõta ilma sellega suheldes. Igasugune interaktsioon on omaduste muutmise protsess. Eriti kui pisike kvantisüsteem puutub kokku kolossaalsete kvantobjektidega. Mõni igavesti neutraalne budismivaatleja on põhimõtteliselt võimatu. Ja siin tuleb mängu mõiste "deheherentsus", mis on termodünaamika seisukohalt pöördumatu: teise suure süsteemiga suheldes muutuvad süsteemi kvantomadused.
Selle interaktsiooni käigus kaotab kvantisüsteem oma algsed omadused ja muutub klassikaliseks, justkui "järgides" suurt süsteemi. See seletab ka Schrödingeri kassi paradoksi: kass on liiga suur süsteem, nii et seda ei saa muust maailmast isoleerida. Selle mõttekatse ülesehitus ei ole täiesti õige.
Igal juhul, kui eeldada loomisakti reaalsust teadvuse järgi, tundub deheherents palju mugavam lähenemisviis. Võib-olla isegi liiga mugav. Sellise lähenemisega saab kogu klassikalisest maailmast deheherentsuse üks suur tagajärg. Ja nagu väitis valdkonna ühe kuulsaima raamatu autor, viib selline lähenemisviis loogiliselt selliste väideteni nagu "maailmas pole osakesi" või "põhimõttelisel tasandil pole aega".
Kas see on tõsi looja-vaatleja või tugeva võimelisuse osas? Peame valima kahe pahe vahel. Sellegipoolest on teadlased üha enam veendunud, et kvantmõjud on meie vaimsete protsesside ilming. Ja see, kus vaatlus lõpeb ja reaalsus algab, sõltub meist igaühest.
Põhineb topinfopost.com materjalidel
