1803-ban Thomas Young egy fénysugarat irányított egy átlátszatlan képernyőre, két réssel. A vetítővásznon a várt két fénycsík helyett több csíkot látott, mintha minden résből két fényhullám interferenciája (szuperpozíciója) történt volna. Valójában ebben a pillanatban született meg a kvantumfizika, vagy inkább a benne rejlő kérdések. A XX és XXI század kimutatták, hogy nem csak a fény, hanem minden egyes elemi részecskeés még egyes molekulák is hullámként, kvantumként viselkednek, mintha egyszerre mennének át mindkét résen. Ha azonban a résekhez egy érzékelőt helyez el, amely meghatározza, hogy pontosan mi történik a részecskével ezen a helyen, és melyik résen halad át, akkor csak két csík jelenik meg a vetítővásznon, mintha megfigyelési tény lenne ( közvetett befolyás) tönkreteszi a hullámfüggvényt, és az objektum anyagként viselkedik. ( videó)

Heisenberg bizonytalansági elve a kvantumfizika alapja!

Az 1927-es felfedezésnek köszönhetően tudósok és hallgatók ezrei ismétlik meg ugyanazt az egyszerű kísérletet, lézersugarat átvilágítva egy szűkülő résen. Ez logikus látható nyoma a vetítővászon lézerétől a rés csökkenésével egyre szűkebb lesz. De bizonyos pillanatban Amikor a rés elég szűk lesz, a lézerfolt hirtelen egyre szélesebb és szélesebb lesz, átnyúlik a képernyőn, és elhalványul, amíg a rés el nem tűnik. Ez a legkézenfekvőbb bizonyítéka a kvantumfizika kvintesszenciájának - Werner Heisenberg, a kiváló elméleti fizikus bizonytalansági elvének. Lényege, hogy minél pontosabban határozzuk meg egy kvantumrendszer páros jellemzőit, annál bizonytalanabbá válik a második jellemző. BAN BEN ebben az esetben, minél pontosabban határozzuk meg a szűkülő réssel rendelkező lézerfotonok koordinátáit, annál bizonytalanabbá válik ezeknek a fotonoknak a lendülete. A makrokozmoszban bármelyiket is pontosan meg tudjuk mérni pontos hely repülő kardot, kézbe venni, vagy irányát, de nem egyszerre, hiszen ez ellentmond és zavarja egymást. ( , videó)

Kvantum szupravezetés és a Meissner-effektus

1933-ban Walter Meissner egy érdekes jelenséget fedezett fel a kvantumfizikában: a minimális hőmérsékletre hűtött szupravezetőben a mágneses tér a határain túl elmozdul. Ezt a jelenséget Meissner-effektusnak nevezik. Ha egy közönséges mágnest alumíniumra (vagy más szupravezetőre) helyezünk, majd folyékony nitrogénnel lehűtjük, a mágnes felrepül és a levegőben lóg, mivel „látja” saját, azonos polaritású mágneses tere kiszorulva a hűtöttből. alumínium, és a mágnesek ugyanazon oldalai taszítják . ( , videó)

Kvantum szuperfolyékonyság

1938-ban Pjotr ​​Kapitsa a folyékony héliumot nulla közeli hőmérsékletre hűtötte, és felfedezte, hogy az anyag elvesztette viszkozitását. Ezt a jelenséget a kvantumfizikában szuperfluiditásnak nevezik. Ha lehűtött folyékony héliumot öntünk egy pohár aljára, akkor is kifolyik belőle a falak mentén. Valójában mindaddig, amíg a hélium kellően le van hűtve, nincs határa annak, hogy kifolyjon, függetlenül a tartály alakjától vagy méretétől. XX végén és eleje XXI századi szuperfolyékonyság at bizonyos feltételek hidrogénben és különféle gázokban is megtalálható volt. ( , videó)

Kvantum alagútépítés

1960-ban Ivor Jayever vezényelt elektromos kísérletek nem vezető alumínium-oxid mikroszkopikus filmmel elválasztott szupravezetőkkel. Kiderült, hogy a fizikával és a logikával ellentétben néhány elektron mégis áthalad a szigetelésen. Ez megerősítette a kvantum lehetőségére vonatkozó elméletet alagút hatás. Nem csak az elektromosságra vonatkozik, hanem bármilyen elemi részecskére is, ezek is hullámok a kvantumfizika szerint. Át tudnak haladni az akadályokon, ha ezeknek az akadályoknak a szélessége kisebb, mint a részecske hullámhossza. Minél keskenyebb az akadály, annál gyakrabban haladnak át rajta a részecskék. ( , videó)

Kvantumösszefonódás és teleportáció

1982-ben Alain Aspe fizikus, leendő díjazott Nóbel díj, két, egyidejűleg létrehozott fotont küldött többirányú szenzoroknak spinjük (polarizációjuk) meghatározására. Kiderült, hogy az egyik foton spinjének mérése azonnal befolyásolja a második foton spinjének helyzetét, amely ellentétessé válik. Így a lehetőség bebizonyosodott kvantumösszefonódás elemi részecskék és kvantum teleportáció. 2008-ban a tudósok meg tudták mérni a kvantumkuszálódott fotonok állapotát 144 kilométeres távolságban, és a köztük lévő kölcsönhatás még mindig pillanatnyi volt, mintha ugyanazon a helyen lennének, vagy nem lenne tér. Úgy gondolják, hogy ha az ilyen kvantum-összefonódott fotonok az univerzum ellentétes részein kötnek ki, a köztük lévő kölcsönhatás továbbra is azonnali lesz, bár a fénynek több tízmilliárd évbe telik, amíg ugyanazt a távolságot megteszi. Érdekes, de Einstein szerint a fénysebességgel haladó fotonoknak sincs ideje. Ez véletlen egybeesés? A jövő fizikusai nem így gondolják! ( , videó)

Quantum Zeno effektus és időmegállás

1989-ben David Wineland vezette tudóscsoport megfigyelte a berillium-ionok átmenetének sebességét az atomi szintek között. Kiderült, hogy maga az ionok állapotának mérése lelassította az állapotok közötti átmenetet. A 21. század elején egy hasonló, rubídium atomokkal végzett kísérletben 30-szoros lassulást értek el. Mindez a kvantum-Zénó-effektus megerősítése. Jelentése az, hogy az instabil részecske állapotának mérése a kvantumfizikában lelassítja bomlási sebességét, és elméletileg teljesen megállíthatja azt. ( , videó angolul)

Kvantum radír késleltetett választással

1999-ben egy Marlan Scali vezette tudóscsoport két résen keresztül irányította a fotonokat, amelyek mögött egy prizma állt, amely minden egyes feltörekvő fotont kvantumokkal összefonódott fotonpárokká alakított, és két irányba választotta el őket. Az első fotonokat küldött a fő detektorba. A második irány fotonokat küldött egy 50%-ban reflektorokból és detektorokból álló rendszerbe. Kiderült, hogy ha a második irányból egy foton elérte azokat a detektorokat, amelyek meghatározták azt a rést, amelyből kisugárzott, akkor a fő detektor részecskeként rögzítette a párosított fotonját. Ha egy foton a második irányból elérte azokat a detektorokat, amelyek nem észlelték azt a rést, amelyből kisugárzott, akkor a fő detektor hullámként rögzítette a párosított fotonját. Nemcsak egy foton mérése tükröződött a kvantumösszefonódott párjára, hanem ez a távolságon és az időn túl is megtörtént, mert a másodlagos detektorrendszer a fő fotonoknál később rögzítette a fotonokat, mintha a jövő határozná meg a múltat. Úgy gondolják, hogy ez a leghihetetlenebb kísérlet nemcsak a kvantumfizika, hanem az egész tudomány történetében is, mivel aláássa a világnézet számos szokásos alapját. ( , videó angol)

Kvantum szuperpozíció és Schrödinger macskája

2010-ben Aaron O'Connell egy kis fémlemezt helyezett egy átlátszatlan vákuumkamrába, amit majdnem lehűtött. abszolút nulla. Ezután impulzust adott a lemezre, hogy az rezegjen. A helyzetérzékelő azonban azt mutatta, hogy a lemez egyszerre vibrált és csendes, ami pontosan megfelelt az elméleti kvantumfizikának. Ez volt az első alkalom, hogy a szuperpozíció elvét makroobjektumokon igazolták. Izolált körülmények között, amikor nincs kölcsönhatás a kvantumrendszerek között, egy objektum egyszerre lehet benne korlátlan mennyiségben minden lehetséges pozíciót, mintha már nem lenne lényeges. ( , videó)

Quantum Cheshire macska és fizika

2014-ben Tobias Denkmair és munkatársai a neutronsugarat két sugárnyalábra osztották, és összetett mérések sorozatát végezték el. Kiderült, hogy bizonyos körülmények között a neutronok ugyanabban a nyalábban lehetnek, és azok mágneses momentum egy másik kötegben. Így a kvantummosoly paradoxon beigazolódott Cheshire macska, amikor a részecskék és tulajdonságaik felfogásunk szerint lehetnek benne Különböző részek tér, mint egy mosoly a macskától eltekintve az „Alice Csodaországban” mesében. BAN BEN Még egyszer A kvantumfizika titokzatosabbnak és csodálatosabbnak bizonyult, mint bármely tündérmese! ( , videó angolul.)

Köszönöm hogy elolvastad! Most egy kicsit okosabb lettél, és ez egy kicsit világosabbá teszi a világunkat. Oszd meg a cikk linkjét barátaiddal, és a világ még jobb hellyé válik!

• Fordítás

Owen Maroney, a fizikus szerint Oxford Egyetem, a kvantumelmélet 1900-as évekbeli megjelenése óta mindenki ennek az elméletnek a furcsaságáról beszél. Hogyan teszi lehetővé, hogy a részecskék és az atomok egyszerre több irányba mozogjanak, vagy egyidejűleg az óramutató járásával megegyezően és ellentétes irányban forogjanak. De a szavak nem bizonyíthatnak semmit. „Ha ezt elmondjuk a nyilvánosságnak kvantum elmélet nagyon furcsa, ezt az állítást kísérletileg kell tesztelnünk, mondja Maroney. „Különben nem tudományt csinálunk, hanem a táblán mindenféle csilingelésről beszélünk.”

Ez adta az ötletet Maroney-nak és kollégáinak a fejlesztésre új sorozat kísérletek a lényeg feltárására hullámfüggvény– a kvantumfurcsaságok mögött meghúzódó titokzatos entitás. Papíron a hullámfüggvény egyszerű matematikai objektum, amelyet a psi (Ψ) betűvel jelölünk (az egyik ilyen kancsalság), és a részecskék kvantum viselkedésének leírására szolgál. A kísérlettől függően a hullámfüggvény lehetővé teszi a tudósok számára annak kiszámítását, hogy mekkora valószínűséggel látnak egy elektront egy adott helyen, vagy annak az esélyét, hogy a spinje felfelé vagy lefelé irányul. De a matematika nem mondja meg, hogy valójában mi is a hullámfüggvény. Ez valami fizikai? Vagy egyszerűen csak egy számítási eszköz a megfigyelő valós világgal kapcsolatos tudatlanságának kezelésére?

A kérdés megválaszolásához használt tesztek nagyon finomak, és még nem adtak végleges választ. A kutatók azonban optimisták, hogy közel a vég. És végre választ tudnak adni azokra a kérdésekre, amelyek évtizedek óta gyötörnek mindenkit. Valóban sok helyen lehet egy részecske egyszerre? Az Univerzum folyamatosan osztódik-e Párhuzamos világok, amelyek mindegyikében létezik a miénk alternatív változat? Létezik egyáltalán valami, amit „objektív valóságnak” neveznek?

„Mindenkinek vannak ilyen kérdései előbb-utóbb” – mondja Alessandro Fedricci, a Queenslandi Egyetem (Ausztrália) fizikusa. – Mi a valóságos valójában?

A valóság lényegével kapcsolatos viták akkor kezdődtek, amikor a fizikusok felfedezték, hogy a hullám és a részecske ugyanannak az éremnek a két oldala. Klasszikus példa– egy kettős réses kísérlet, ahol az egyes elektronokat egy olyan gátba lövik be, amelyen két rés van: az elektron úgy viselkedik, mintha egyszerre két résen haladna át, csíkos interferenciamintát hozva létre annak másik oldalán. 1926-ban Erwin Schrödinger osztrák fizikus egy hullámfüggvényt dolgozott ki ennek a viselkedésnek a leírására, és levezetett egy egyenletet, amely bármilyen helyzetre kiszámítható. De sem ő, sem senki más nem tudott mit mondani ennek a funkciónak a természetéről.

Kegyelem a tudatlanságban

Gyakorlati szempontból a természete nem fontos. A kvantumelmélet koppenhágai értelmezése, amelyet az 1920-as években alkottak meg Niels Bohr és Werner Heisenberg, a hullámfüggvényt egyszerűen a megfigyelések eredményeinek előrejelzésére használja, anélkül, hogy arra kellene gondolnia, hogy mi történik a valóságban. „A fizikusokat nem lehet hibáztatni ezért a „fogd be és számolj” viselkedésért, mivel ez jelentős áttörésekhez vezetett a mag- és atomfizikában, a fizikában szilárdés a részecskefizika” – mondja Jean Bricmont, a Belgiumi Katolikus Egyetem statisztikai fizikusa. "Tehát azt tanácsolják az embereknek, hogy ne aggódjanak alapvető problémák miatt."

De néhányan még mindig aggódnak. Az 1930-as évekre Einstein elvetette a koppenhágai interpretációt, nem benn végső megoldás mert lehetővé tette, hogy két részecske összekuszálja hullámfüggvényeit, ami olyan helyzethez vezetett, amelyben az egyik mérése azonnal megadhatja a másik állapotát, még akkor is, ha hatalmas távolságok választják el őket egymástól. Annak érdekében, hogy ne tudjon belenyugodni ebbe a „távolról ijesztő kölcsönhatásba”, Einstein inkább azt hitte, hogy a részecskék hullámfüggvényei hiányosak. Elmondta, hogy lehetséges, hogy a részecskéknek vannak olyan rejtett változói, amelyek meghatározzák a mérés eredményét, amelyeket a kvantumelmélet nem vett észre.

Azóta a kísérletek bebizonyították a félelmetes, távoli interakció funkcionalitását, ami elutasítja a rejtett változók koncepcióját. de ez nem akadályozta meg más fizikusokat abban, hogy a maguk módján értelmezzék. Ezek az értelmezések két táborra oszlanak. Vannak, akik egyetértenek Einsteinnel abban, hogy a hullámfüggvény a tudatlanságunkat tükrözi. Ezeket nevezik a filozófusok pszi-episztemikus modelleknek. Mások pedig valóságos dolognak tekintik a hullámfüggvényt – a pszi-ontikus modelleket.

A különbség megértéséhez képzeljük el Schrödinger gondolatkísérletét, amelyet 1935-ben írt le Einsteinnek írt levelében. A macska acéldobozban van. A doboz mintát tartalmaz radioaktív anyag, amely 50%-os eséllyel bomlásterméket bocsát ki egy óra alatt, és egy olyan eszköz, amely megmérgezi a macskát, ha ezt a terméket észlelik. Mert a radioaktív bomlás- rendezvény kvantumszint, írja Schrödinger, a kvantumelmélet szabályai szerint az óra végén a doboz belsejének hullámfüggvénye egy döglött és egy élő macska keveréke kell, hogy legyen.

„Nagyon szólva – fogalmaz enyhén Fedricci – a pszi-episztemikus modellben a dobozban lévő macska vagy él, vagy meghalt, és ezt egyszerűen nem tudjuk, mert a doboz zárva van.” És a legtöbb pszionikus modellben egyetértés van a koppenhágai értelmezéssel: amíg a megfigyelő ki nem nyitja a dobozt, a macska él és halott is lesz.

De itt a vita zsákutcába jut. Melyik értelmezés igaz? Ezt a kérdést nehéz kísérletileg megválaszolni, mert a modellek közötti különbségek nagyon finomak. Lényegében ugyanazt a kvantumjelenséget kellene megjósolniuk, mint a nagyon sikeres koppenhágai értelmezés. Andrew White, a Queenslandi Egyetem fizikusa azt mondja, hogy 20 éves kvantumtechnológiai pályafutása során "ez a probléma olyan volt, mint egy hatalmas sima hegy, párkányok nélkül, amelyeket nem lehetett megközelíteni".

Minden megváltozott 2011-ben, amikor megjelent a kvantummérési tétel, amely a „hullámfüggvény, mint tudatlanság” megközelítést úgy tűnt kiküszöböli. De közelebbről megvizsgálva kiderült, hogy ez a tétel elegendő mozgásteret hagy a manőverüknek. Mindazonáltal arra ösztönözte a fizikusokat, hogy komolyan gondolkodjanak azon, hogyan lehetne megoldani a vitát a hullámfüggvény valóságának tesztelésével. Maroney már megtervezett egy elvileg működő kísérletet, és kollégáival hamarosan megtalálták a módját, hogy a gyakorlatban is működjön. A kísérletet tavaly végezték Fedrici, White és mások.

A teszt ötletének megértéséhez képzeljen el két kártyacsomagot. Az egyiknek csak piros, a másiknak csak ásza van. „Adnak egy kártyát, és megkérik, hogy azonosítsa, melyik pakliból származik” – mondja Martin Ringbauer, az egyetem fizikusa. Ha piros ászról van szó, akkor "crossover lesz, és nem lehet biztosan tudni." De ha tudja, hogy hány kártya van az egyes paklikban, ki tudja számolni, hogy milyen gyakran fordul elő ez a kétértelmű helyzet.

A fizika veszélyben

Ugyanez a kétértelműség történik a kvantumrendszerekben is. Egy méréssel nem mindig lehet megtudni például, hogy egy foton mennyire polarizált. „A való életben könnyű különbséget tenni a nyugat és a nyugattól délre eső irány között, de kvantumrendszerekben ez nem olyan egyszerű” – mondja White. A standard koppenhágai értelmezés szerint nincs értelme a polarizációról kérdezni, hiszen a kérdésre nincs válasz - amíg egy újabb mérés pontosan meg nem határozza a választ. De a hullámfüggvény, mint tudatlanság modell szerint a kérdésnek van értelme – csupán arról van szó, hogy a kísérlet, mint a kártyapaklikkal végzett kísérlet, nem tartalmaz információt. A térképekhez hasonlóan megjósolható, hogy hány félreérthető helyzet magyarázható ilyen tudatlansággal, és összehasonlítható nagy mennyiség standard elmélettel megoldott kétértelmű helyzetek.

Fedrici és csapata pontosan ezt tesztelte. A csapat polarizációt és egyéb tulajdonságokat mért a fotonnyalábban, és olyan metszéspontokat talált, amelyek nem magyarázhatók "tudatlanság" modellekkel. Az eredmény alátámasztja alternatív elmélet– ha létezik objektív valóság, akkor a hullámfüggvény is létezik. „Lenyűgöző, hogy a csapat meg tudta oldani ezt nehéz feladat ilyen egyszerű kísérlet” – mondja Andrea Alberti, a Bonni Egyetem (Németország) fizikusa.

A következtetés még nincs kőbe vésve: mivel a detektorok a tesztben használt fotonoknak csak az ötödét fogták fel, fel kell tételeznünk, hogy az elveszett fotonok is hasonlóan viselkedtek. Ez erős feltételezés, és a csapat most azon dolgozik, hogy csökkentse a veszteségeket, és határozottabb eredményt érjen el. Eközben Maroney oxfordi csapata az ausztráliai Új-Dél-Wales Egyetemmel dolgozik azon, hogy a kísérletet könnyebben követhető ionokkal is megismételjék. "A következő hat hónapban meglesz a kísérlet végleges verziója" - mondja Maroney.

De még ha sikeresek is és a „hullámfüggvény, mint valóság” modellek nyernek, akkor ezeknek a modelleknek is vannak különböző lehetőségei. A kísérletezőknek választaniuk kell közülük.

Az egyik legkorábbi értelmezést az 1920-as években a francia Louis de Broglie készítette, az 1950-es években pedig az amerikai David Bohm bővítette ki. A Broglie-Bohm modellek szerint a részecskéknek meghatározott helyük és tulajdonságaik vannak, de egy bizonyos „pilothullám” hajtja őket, amelyet hullámfüggvényként határoznak meg. Ez magyarázza a kettős réses kísérletet, mivel a pilothullám áthaladhat mindkét résen, és interferenciamintázatot hozhat létre, bár maga az elektron, amelyet vonz, csak az egyiken halad át a két résen.

2005-ben ez a modell váratlan támogatást kapott. Emmanuel Fort fizikusok, akik jelenleg a párizsi Langevin Intézetben dolgoznak, és Yves Caudier, a Paris Diderot Egyetemről egy egyszerű problémát adtak a hallgatóknak: készítsenek egy kísérletet, amelyben a tálcára eső olajcseppek összeolvadnak a tálca. Mindenki meglepetésére hullámok kezdtek kialakulni a cseppek körül, ahogy a tálca egy bizonyos frekvencián vibrált. "A cseppek önállóan kezdtek mozogni saját hullámaikon" - mondja Fort. „Kettős tárgy volt – egy hullám által vont részecske.”

Fort és Caudier azóta kimutatta, hogy az ilyen hullámok képesek a részecskéiket egy kettős réses kísérletben pontosan úgy vezetni, ahogy azt a pilótahullám-elmélet jósolja, és képesek reprodukálni másokat. kvantumhatások. De ez nem bizonyítja a pilothullámok létezését a kvantumvilágban. „Azt mondták nekünk, hogy ilyen hatások lehetetlenek a klasszikus fizikában” – mondja Fort. "És itt megmutattuk, mi lehetséges."

A valóság alapú modellek egy másik csoportja, amelyet az 1980-as években fejlesztettek ki, megpróbálja megmagyarázni a nagy és kis tárgyak tulajdonságai közötti hatalmas különbségeket. „Miért lehetnek egyszerre két helyen az elektronok és az atomok, de az asztalok, a székek, az emberek és a macskák nem” – mondja Angelo Basi, a Trieszti Egyetem (Olaszország) fizikusa. Ezek az "összeomlási modellek" néven ismert elméletek azt mondják, hogy az egyes részecskék hullámfüggvényei valósak, de elveszíthetik a hatásukat. kvantumtulajdonságokés hozza a részecskét egy bizonyos pozícióba a térben. A modelleket úgy tervezték, hogy egy ilyen összeomlás esélye rendkívül kicsi legyen egy-egy részecske esetében, így atomi szinten a kvantumhatások dominálnak. De az összeomlás valószínűsége gyorsan növekszik, ahogy a részecskék egyesülnek, és a makroszkopikus objektumok teljesen elveszítik kvantumtulajdonságaikat, és a klasszikus fizika törvényei szerint viselkednek.

Ennek ellenőrzésének egyik módja az, hogy kvantumhatásokat keresünk benne nagy tárgyakat. Ha a standard kvantumelmélet helyes, akkor a méretnek nincs korlátja. A fizikusok pedig már végeztek egy kettős réses kísérletet nagy molekulák felhasználásával. De ha az összeomlási modellek helyesek, akkor a kvantumhatások nem lesznek láthatók egy bizonyos tömeg felett. Különböző csoportok azt tervezik, hogy ezt a tömeget hideg atomok, molekulák, fémklaszterek és nanorészecskék segítségével keresik. Remélik, hogy a következő tíz évben eredményeket fedeznek fel. "Az a jó ezekben a kísérletekben, hogy megkérdőjelezzük a kvantumelméletet pontos tesztek ahol még nem tesztelték – mondja Maroney.

Párhuzamos világok

Az egyik „hullámfunkció mint valóság” modellt már ismerik és szeretik a tudományos-fantasztikus írók. Ez egy sok világra kiterjedő értelmezés, amelyet az 1950-es években Hugh Everett dolgozott ki, aki akkor még diák volt. Princeton egyetem New Jersey-ben. Ebben a modellben a hullámfüggvény olyan erősen meghatározza a valóság alakulását, hogy minden kvantumméréssel párhuzamos világokra szakad az Univerzum. Más szóval, amikor kinyitunk egy dobozt egy macskával, két univerzumot szülünk – az egyikben egy döglött macska, a másikban pedig egy élő.

Nehéz elválasztani ezt az értelmezést a standard kvantumelmélettől, mert az előrejelzéseik megegyeznek. De tavaly Howard Wiseman, a Brisbane-i Griffith Egyetem munkatársa és kollégái javasolták a multiverzum tesztelhető modelljét. A modelljükben nincs hullámfüggvény – a részecskék betartják a klasszikus fizikát, a Newton-törvényeket. És a furcsa hatások kvantumvilág jelennek meg, mert a részecskék és klónjaik között párhuzamos univerzumok vannak taszító erők. "A köztük lévő taszító erő hullámokat hoz létre, amelyek a párhuzamos világokban terjednek" - mondja Wiseman.

Használata számítógépes szimuláció, amelyben 41 univerzum lépett kölcsönhatásba, kimutatták, hogy a modell nagyjából számos kvantumhatást reprodukál, beleértve a részecskepályákat is a kettős réses kísérletben. Ahogy a világok száma növekszik, az interferencia-mintázat a valóshoz hajlik. Mivel az elmélet előrejelzései a világok számától függően változnak, Wiseman szerint tesztelhető, hogy a multiverzum modell helyes-e – vagyis nincs-e hullámfüggvény, és a valóság a klasszikus törvények szerint működik.

Mivel ebben a modellben nincs szükség hullámfüggvényre, akkor is életképes marad, ha a jövőbeni kísérletek kizárják a „tudatlanság” modelleket. Emellett más modellek is fennmaradnak, például a koppenhágai értelmezés, amely szerint nincs objektív valóság, csak számítások.

De aztán – mondja White – ez a kérdés a vizsgálat tárgyává válik. És bár még senki sem tudja, hogyan kell ezt megtenni, „igazán érdekes lenne egy olyan tesztet kidolgozni, amely megvizsgálja, hogy egyáltalán van-e objektív valóságunk”.

Sziasztok kedves olvasók. Ha nem akarsz lemaradni az életről, légy igazán boldog és egészséges ember, ismernie kell a modern kvantumfizika titkait, és legalább egy kis elképzelése van az univerzum azon mélységeiről, amelyekbe a tudósok ma ástak. Nincs időd mély tudományos részletekbe menni, hanem csak a lényeget szeretnéd megérteni, de látni a szépséget ismeretlen világ, akkor ez a cikk: kvantumfizika közönséges bábuk számára, vagy mondhatni háziasszonyoknak, csak neked szól. Megpróbálom elmagyarázni, mi az a kvantumfizika, de egyszerű szavakkal, világosan mutasd meg.

„Mi az összefüggés a boldogság, az egészség és a kvantumfizika között?”

A tény az, hogy segít megválaszolni sok tisztázatlan kérdést, amelyek az emberi tudattal és a tudat testre gyakorolt ​​hatásával kapcsolatosak. Sajnos az orvostudomány, támaszkodva klasszikus fizika, ez nem mindig segít abban, hogy egészségesek legyünk. De a pszichológia nem tudja megfelelően megmondani, hogyan lehet megtalálni a boldogságot.

Csak több mély tudás a világ segít megértenünk, hogyan lehet valóban megbirkózni a betegséggel, és hol él a boldogság. Ez a tudás az Univerzum mély rétegeiben található. A kvantumfizika a segítségünkre van. Hamarosan mindent tudni fogsz.

Amit a kvantumfizika egyszerű szavakkal tanulmányoz

Igen, a kvantumfizikát valóban nagyon nehéz megérteni, mert a mikrovilág törvényeit tanulmányozza. Vagyis a világ a mélyebb rétegeiben van, nagyon kis távolságokra, ahol nagyon nehezen lát az ember.

A világ pedig, mint kiderült, ott nagyon furcsán, sejtelmesen és érthetetlenül viselkedik, nem úgy, ahogy azt megszoktuk.

Innen ered a kvantumfizika minden bonyolultsága és félreértése.

De miután elolvasta ezt a cikket, kibővíti tudásának látókörét, és teljesen másképp tekint a világra.

A kvantumfizika rövid története

Az egész a 20. század elején kezdődött, amikor a newtoni fizika sok mindent nem tudott megmagyarázni, és a tudósok zsákutcába jutottak. Ezután Max Planck bevezette a kvantum fogalmát. Albert Einstein felvette ezt az ötletet, és bebizonyította, hogy a fény nem folyamatosan, hanem részletekben - kvantumokban (fotonokban) halad. Ezt megelőzően azt hitték, hogy a fénynek hullámtermészete van.

De mint később kiderült, bármely elemi részecske nemcsak kvantum, azaz szilárd részecske, hanem hullám is. Így jelent meg a hullám-részecske dualizmus a kvantumfizikában, az első paradoxon és a felfedezések kezdete titokzatos jelenségek mikrovilág.

A legtöbb érdekes paradoxonok akkor kezdődött, amikor elvégezték a híres kettős réses kísérletet, amely után még sok rejtély maradt. Elmondhatjuk, hogy a kvantumfizika vele kezdődött. Nézzük meg.

Kettős rés kísérlet a kvantumfizikában

Képzeljen el egy tányért, amelyen két rés van függőleges csíkok formájában. A lemez mögé egy paravánt helyezünk el. Ha megvilágítjuk a lemezt, interferenciamintát fogunk látni a képernyőn. Vagyis váltakozó sötét és világos függőleges csíkok. Az interferencia az eredmény hullám viselkedés valamit, esetünkben fényt.

Ha vízhullámot vezet át két egymás mellett található lyukon, megérti, mi az interferencia. Vagyis a fény hullámtermészetűnek bizonyul. De ahogy a fizika, vagy inkább Einstein bebizonyította, fotonrészecskék terjesztik. Már paradoxon. De ez rendben van, a hullám-részecske kettősség többé nem fog meglepni minket. A kvantumfizika azt mondja nekünk, hogy a fény hullámként viselkedik, de fotonokból áll. De a csodák még csak most kezdődnek.

Tegyünk a lemez elé egy pisztolyt két hasítékkal, amely fény helyett elektronokat bocsát ki. Kezdjük el lőni az elektronokat. Mit fogunk látni a képernyőn a lemez mögött?

Az elektronok részecskék, ami azt jelenti, hogy a két résen áthaladó elektronáramlásnak csak két csíkot kell hagynia a képernyőn, két nyomot a réssel szemben. Képzeld el, hogy a kavicsok átrepülnek két résen, és eltalálják a képernyőt?

De mit is látunk valójában? Ugyanaz az interferencia minta. Mi a következtetés: az elektronok hullámokban utaznak. Tehát az elektronok hullámok. De ez egy elemi részecske. Ismét hullám-részecske dualizmus a fizikában.

De feltételezhetjük, hogy mélyebb szinten az elektron egy részecske, és amikor ezek a részecskék összeérnek, hullámként kezdenek viselkedni. Például a tengeri hullám hullám, de vízcseppekből, kisebb szinten molekulákból, majd atomokból áll. Oké, a logika szilárd.

Akkor ne elektronárammal lőjünk fegyverből, hanem külön engedjük ki az elektronokat, bizonyos idő elteltével. Mintha nem a réseken haladtunk volna át tengeri hullám, és egyes cseppeket köpne ki a gyerek vízipisztolyából.

Teljesen logikus, hogy ebben az esetben különböző cseppek a víz különböző résekbe hullana. A lemez mögötti képernyőn nem a hullám okozta interferencia-mintázat látható, hanem a becsapódásból származó két tiszta csík minden réssel szemben. Ugyanezt fogjuk látni: ha apró köveket dobunk, azok két résen átrepülve nyomot hagynak, mint két lyuk árnyékát. Lőjünk most ki egyes elektronokat, hogy lássuk ezt a két csíkot a képernyőn az elektronok becsapódásából. Elengedték az egyiket, vártak, a másodikat, vártak, és így tovább. A kvantumfizikus tudósok képesek voltak ilyen kísérletet végezni.

De horror. E két sáv helyett több sáv azonos interferencia váltakozását kapjuk. Hogy hogy? Ez akkor történhet meg, ha egy elektron egyszerre két résen repülne át, és a lemez mögött, mint egy hullám, önmagával ütközne és interferálna. De ez nem történhet meg, mert egy részecske nem lehet egyszerre két helyen. Vagy átrepül az első résen, vagy a másodikon.

Itt kezdődnek a kvantumfizika igazán fantasztikus dolgai.

Szuperpozíció a kvantumfizikában

Többel mély elemzés tudósok rájönnek, hogy minden elemi kvantum részecske vagy ugyanaz a fény (foton) valójában több helyen is lehet egyszerre. És ezek nem csodák, hanem valós tények mikrovilág. A kvantumfizika ezt mondja. Ezért látjuk az interferencia eredményét, amikor egyetlen részecskét kilőünk egy ágyúból. A lemez mögött az elektron önmagával ütközik, és interferenciamintát hoz létre.

A makrokozmosz számunkra közös tárgyai mindig egy helyen vannak, és egy állapotúak. Például Ön most egy széken ül, súlya mondjuk 50 kg, és a pulzusszáma 60 ütés percenként. Természetesen ezek az értékek változni fognak, de egy idő után változni fognak. Hiszen nem lehet egyszerre otthon és a munkahelyén, 50 és 100 kg. Mindez érthető, ez a józan ész.

A mikrovilág fizikájában minden más.

A kvantummechanika azt állítja, és ezt már kísérletileg is megerősítették, hogy bármely elemi részecske egyszerre nemcsak több pontban lehet a térben, hanem egyszerre több állapota is lehet, például spin.

Mindez megzavarja az elmét, aláássa a világ megszokott megértését, a fizika régi törvényeit, felforgatja a gondolkodást, nyugodtan megőrjít.

Így értjük meg a „szuperpozíció” kifejezést a kvantummechanikában.

A szuperpozíció azt jelenti, hogy a mikrovilág egy objektuma egyszerre lehet benne különböző pontokat térben, és egyidejűleg több állapotuk is van. És ez normális az elemi részecskék esetében. Ez a mikrovilág törvénye, bármilyen furcsának és fantasztikusnak is tűnik.

Meglepődsz, de ezek csak virágok, leginkább megmagyarázhatatlan csodák, a kvantumfizika rejtelmei és paradoxonai még várat magára.

A hullámfüggvény összeomlása a fizikában egyszerű szavakkal

Aztán a tudósok úgy döntöttek, hogy kiderítik és pontosabban megvizsgálják, hogy az elektron valóban áthalad-e mindkét résen. Hirtelen áthalad az egyik résen, majd valahogy széthasad, és interferenciamintát hoz létre, ahogy áthalad rajta. Hát, sosem lehet tudni. Vagyis a rés közelében el kell helyezni valamilyen eszközt, amely pontosan rögzíti az elektron áthaladását rajta. Alig mondják, mint kész. Természetesen ezt nehéz megtenni, hogy lássuk az elektron áthaladását, hanem valami mást. De a tudósok megcsinálták.

De az eredmény végül mindenkit megdöbbentett.

Amint elkezdjük nézni, melyik résen halad át az elektron, nem úgy kezd viselkedni, mint egy hullám, nem úgy. furcsa anyag, amely egyidejűleg a tér különböző pontjain helyezkedik el, de mint egy közönséges részecske. Vagyis kezd megnyilvánulni konkrét tulajdonságok kvantum: csak egy helyen található, egy résen halad át, egy spin értéke van. Ez nem egy interferencia minta jelenik meg a képernyőn, hanem egy egyszerű nyom a hasítékkal szemben.

De hogyan lehetséges ez? Mintha az elektron viccelne, játszana velünk. Eleinte hullámként viselkedik, majd miután úgy döntöttünk, hogy megnézzük, hogyan halad át egy résen, a szilárd részecske tulajdonságait mutatja, és csak egy résen halad át. De ez így van a mikrokozmoszban. Ezek a kvantumfizika törvényei.

A tudósok az elemi részecskék egy másik rejtélyes tulajdonságát is felfedezték. Így jelent meg a kvantumfizikában a bizonytalanság és a hullámfüggvény összeomlás fogalma.

Amikor egy elektron a réshez repül, meghatározatlan állapotban van, vagy ahogy fentebb mondtuk, szuperpozícióban van. Vagyis hullámként viselkedik, egyidejűleg a tér különböző pontjain van, és egyszerre két spin értéke van (a spinnek csak két értéke van). Ha nem nyúlunk hozzá, nem próbáljuk megnézni, nem derítjük ki, hol van pontosan, nem mérjük meg a forgásának értékét, akkor egyszerre két résen repült volna át, mint egy hullám. idő, ami azt jelenti, hogy interferenciamintát hozott volna létre. A kvantumfizika a hullámfüggvény segítségével írja le pályáját és paramétereit.

Miután elvégeztünk egy mérést (és a mikrovilág egy részecskéjét csak úgy lehet mérni, ha kölcsönhatásba lép vele, pl. egy másik részecskét ütköztetünk vele), akkor következik be a hullámfüggvény összeomlása.

Vagyis most az elektron pontosan egy helyen található a térben, és egy spinértéke van.

Mondhatjuk, hogy egy elemi részecske olyan, mint egy szellem, úgy tűnik, hogy létezik, ugyanakkor nincs egy helyen, és bizonyos valószínűséggel bárhová eljuthat a hullámfüggvény leírásán belül. De amint kapcsolatba lépünk vele, kísérteties tárgyból valóságos, kézzelfogható szubsztanciává válik, amely úgy viselkedik, mint a klasszikus világ számunkra ismerős tárgyai.

„Ez fantasztikus” – mondod. Természetesen, de a kvantumfizika csodái még csak most kezdődnek. A leghihetetlenebb még hátravan. De tartsunk egy kis szünetet az információbőségtől, és térjünk vissza a kvantumkalandokhoz máskor, egy másik cikkben. Addig is gondold át a ma tanultakat. Mihez vezethetnek az ilyen csodák? Hiszen körülvesznek bennünket, ez a mi világunk sajátja, igaz, mélyebb szinten. Még mindig azt gondoljuk, hogy unalmas világban élünk? De a következtetéseket később vonjuk le.

Igyekeztem röviden és érthetően beszélni a kvantumfizika alapjairól.

De ha valamit nem értesz, akkor nézd meg ezt a rajzfilmet a kvantumfizikáról, a kettős réses kísérletről, ott is mindent elmagyaráznak világos, egyszerű nyelven.

Rajzfilm a kvantumfizikáról:

Vagy megnézheti ezt a videót, minden a helyére kerül, a kvantumfizika nagyon érdekes.

Videó a kvantumfizikáról:

És hogy nem tudtál erről korábban?

A kvantumfizika modern felfedezései megváltoztatják ismerős anyagi világunkat.

Senki sem érti ezen a világon, hogy mi az kvantummechanika. Talán ez a legfontosabb dolog, amit tudnod kell róla. Természetesen sok fizikus megtanulta a törvények használatát, sőt a jelenségek előrejelzését is a kvantumszámítás alapján. De még mindig nem világos, hogy a kísérlet megfigyelője miért határozza meg a rendszer viselkedését, és miért kényszeríti azt a két állapot valamelyikének elfogadására.

Íme néhány példa olyan kísérletekre, amelyek eredményei elkerülhetetlenül megváltoznak a megfigyelő hatására. Megmutatják, hogy a kvantummechanika gyakorlatilag a tudatos gondolkodásnak az anyagi valóságba való beavatkozásával foglalkozik.

A kvantummechanikának manapság számos értelmezése létezik, de a koppenhágai értelmezés talán a leghíresebb. Az 1920-as években általános posztulátumait Niels Bohr és Werner Heisenberg fogalmazta meg.

Az alap Koppenhágai értelmezés alkotta a hullámfüggvényt. Ez matematikai függvény, amely információt tartalmaz egy kvantumrendszer összes lehetséges állapotáról, amelyben egyidejűleg létezik. A koppenhágai értelmezés szerint egy rendszer állapotát és más állapotokhoz viszonyított helyzetét csak megfigyeléssel lehet meghatározni (a hullámfüggvényt csak arra használjuk, hogy matematikailag számítsuk ki a rendszer egyik vagy másik állapotának valószínűségét).

Azt mondhatjuk, hogy a megfigyelés után egy kvantumrendszer klasszikussá válik, és azonnal megszűnik létezni más állapotokban, mint abban, amelyben megfigyelték. Ez a következtetés megtalálta az ellenfeleit (emlékezzünk Einstein híres „Isten nem kockáztat”) című művére, de a számítások és előrejelzések pontossága mégis megtette hatását.

A koppenhágai értelmezést támogatók száma azonban csökken, ill fő ok Ennek oka a hullámfüggvény titokzatos, pillanatnyi összeomlása a kísérlet során. Erwin Schrödinger híres gondolatkísérlete a szegény macskával bizonyítja ennek a jelenségnek a képtelenségét. Emlékezzünk a részletekre.

A fekete dobozban egy fekete macska ül, vele egy fiola méreggel és egy mechanizmus, amely ki tudja engedni a mérget véletlenszerűen. Például egy radioaktív atom széttörhet egy buborékot a bomlás során. Az atomok bomlásának pontos ideje nem ismert. Csak a felezési idő ismert, amely alatt 50%-os valószínűséggel bomlás következik be.

Egy külső szemlélő számára nyilvánvaló, hogy a dobozban lévő macska két állapotban van: vagy él, ha minden jól ment, vagy meghalt, ha bomlás történt és az üveg eltört. Mindkét állapotot a macska hullámfüggvénye írja le, amely idővel változik.

Minél több idő telt el, a inkább hogy radioaktív bomlás történt. De amint kinyitjuk a dobozt, a hullámfüggvény összeomlik, és azonnal látjuk ennek az embertelen kísérletnek az eredményét.

Valójában, amíg a megfigyelő ki nem nyitja a dobozt, a macska végtelenül egyensúlyoz élet és halál között, vagy él és hal. Sorsát csak a szemlélő tettei határozhatják meg. Schrödinger rámutatott erre az abszurditásra.

A felmérés szerint híres fizikusok A The New York Times szerint az elektrondiffrakciós kísérlet a tudománytörténet egyik legcsodálatosabb tanulmánya. Mi a természete? Van egy forrás, amely elektronsugarat bocsát ki egy fényérzékeny képernyőre. És van egy akadály ezeknek az elektronoknak az útjában, egy rézlemez két réssel.

Milyen képet várhatunk a képernyőn, ha az elektronok általában kis töltött golyókként jelennek meg előttünk? Két csík a rézlemez nyílásaival szemben. Valójában azonban egy sokkal összetettebb minta váltakozó fehér és fekete csíkokból jelenik meg a képernyőn. Ez annak köszönhető, hogy egy résen áthaladva az elektronok nemcsak részecskeként, hanem hullámként is elkezdenek viselkedni (ugyanúgy viselkednek a fotonok vagy más fényrészecskék, amelyek egyben hullám is lehetnek).

Ezek a hullámok kölcsönhatásba lépnek a térben, ütköznek és erősítik egymást, és ennek eredményeként a váltakozó fény és a fény összetett mintázata. sötét csíkok megjelenik a képernyőn. Ugyanakkor ennek a kísérletnek az eredménye akkor sem változik, ha az elektronok egymás után haladnak át - akár egy részecske is lehet hullám, és egyszerre két résen halad át. Ez a posztulátum volt az egyik fő a kvantummechanika koppenhágai értelmezésében, amikor a részecskék egyidejűleg demonstrálhatják „hétköznapi” tulajdonságaikat. fizikai tulajdonságokés egzotikus tulajdonságok, mint a hullám.

De mi a helyzet a megfigyelővel? Ő az, aki ezt teszi bonyolult történet még zavaróbb. Amikor a fizikusok hasonló kísérletek során műszerek segítségével megpróbálták meghatározni, hogy az elektron ténylegesen melyik hasítékán halad át, a képernyőn látható kép drámaian megváltozott, és „klasszikussá” vált: két megvilágított résszel pontosan szemben a réssel, váltakozó csíkok nélkül.

Úgy tűnt, hogy az elektronok vonakodnak felfedni hullámtermészetüket a megfigyelők figyelmes szeme előtt. Úgy néz ki, mint egy sötétségbe burkolt rejtély. De van egy egyszerűbb magyarázat is: a rendszer felügyelete nélkül nem végezhető el fizikai befolyás nála. Ezt később megbeszéljük.

2. Melegített fullerének

A részecskediffrakciós kísérleteket nemcsak elektronokkal, hanem más, sokkal nagyobb objektumokkal is végezték. Például fulleréneket, nagy és zárt, több tucat szénatomból álló molekulákat használtak. Nemrég tudósok egy csoportja Bécsi Egyetem Zeilinger professzor vezetésével megpróbálta a megfigyelés elemét beépíteni ezekbe a kísérletekbe. Ennek érdekében mozgó fullerénmolekulákat sugároztak be lézersugárral. Ezután egy külső forrás által felmelegített molekulák izzani kezdtek, és elkerülhetetlenül megmutatták jelenlétüket a megfigyelő számára.

Ezzel az újítással a molekulák viselkedése is megváltozott. Az ilyen átfogó megfigyelések megkezdése előtt a fullerének meglehetősen sikeresek voltak az akadályok elkerülésében (kiállítás hullám tulajdonságai), hasonlóan az előző példához, amikor elektronok érik a képernyőt. De egy megfigyelő jelenlétében a fullerének teljesen törvénytisztelő fizikai részecskékként kezdtek viselkedni.

3. Hűtési méret

A kvantumfizika világának egyik leghíresebb törvénye a Heisenberg-féle bizonytalansági elv, amely szerint lehetetlen egy kvantumobjektum sebességét és helyzetét egyszerre meghatározni. Minél pontosabban mérjük meg egy részecske impulzusát, annál kevésbé tudjuk pontosan megmérni a helyzetét. Makroszkópikus valós világunkban azonban az apró részecskékre ható kvantumtörvények érvényessége általában észrevétlen marad.

Az amerikai Schwab professzor közelmúltbeli kísérletei igen értékes hozzájárulást jelentenek ehhez a területhez. A kvantumhatásokat ezekben a kísérletekben nem elektronok vagy fullerénmolekulák szintjén mutatták ki (amelyek hozzávetőleges átmérője 1 nm), hanem nagyobb tárgyakon, egy apró alumíniumcsíkon. Ezt a szalagot mindkét oldalon úgy rögzítették, hogy a közepe lelógott, és külső hatás hatására rezegni tudott. Ráadásul a közelben elhelyeztek egy olyan készüléket, amely pontosan rögzíti a szalag helyzetét. A kísérlet során több érdekesség is kiderült. Először is a tárgy helyzetével kapcsolatos bármilyen mérés és a szalag megfigyelése befolyásolta azt minden mérés után, a szalag helyzete megváltozott.

A kísérletezők nagy pontossággal határozták meg a szalag koordinátáit, és így a Heisenberg-elvnek megfelelően megváltoztatták a sebességét, így a későbbi helyzetét is. Másodszor, és egészen váratlanul, néhány mérés a szalag lehűléséhez vezetett. Tehát a megfigyelő változhat fizikai jellemzők tárgyak puszta jelenlétükkel.

4. Fagyasztó részecskék

Mint ismeretes, instabil radioaktív részecskék nem csak a macskákkal végzett kísérletek során bomlik szét, hanem önmagukban is. Mindegyik részecskének átlagos élettartama van, ami, mint kiderült, a megfigyelő éber szeme mellett megnőhet. Ezt a kvantumhatást már a 60-as években megjósolták, és briliáns kísérleti bizonyítása megjelent egy tanulmányban, amelyet egy csoport vezette. Nobel díjas fizikából Wolfgang Ketterle, a Massachusetts Institute of Technology munkatársa.

Ebben a munkában a bomlás instabil gerjesztett atomok rubídium Közvetlenül a rendszer elkészítése után az atomokat lézersugárral gerjesztették. A megfigyelés két módban történt: folyamatos (a rendszert folyamatosan kis fényimpulzusok érik) és impulzusos (a rendszert időről időre erősebb impulzusokkal sugározták be).

A kapott eredmények teljes mértékben megfeleltek az elméleti előrejelzéseknek. A külső fényhatások lelassítják a részecskék bomlását, visszaállítják eredeti állapotukat, ami távol áll a bomlás állapotától. Ennek a hatásnak a nagysága is összhangban volt az előrejelzésekkel. Maximális futamidő 30-szorosára nőtt az instabil gerjesztett rubídium atomok létezése.

5. Kvantummechanika és tudat

Az elektronok és fullerének már nem mutatják hullámtulajdonságukat, az alumíniumlemezek lehűlnek, az instabil részecskék pedig lelassítják bomlásukat. A megfigyelő éber szeme szó szerint megváltoztatja a világot. Miért nem lehet ez bizonyíték arra, hogy elménk részt vesz a világ működésében? Talán mégis igaza volt Carl Jungnak és Wolfgang Paulinak (osztrák fizikus, Nobel-díjas, a kvantummechanika úttörője), amikor azt mondták, hogy a fizika és a tudat törvényeit egymást kiegészítőnek kell tekinteni?

Egy lépésre vagyunk attól, hogy felismerjük, hogy a minket körülvevő világ egyszerűen elménk illuzórikus terméke. Az ötlet ijesztő és csábító. Próbáljunk meg ismét a fizikusokhoz fordulni. Főleg benne utóbbi évek amikor minden kevesebb és kevesebb ember hisz a kvantummechanika koppenhágai értelmezése a rejtélyes hullámfüggvényével összeomlik, és a hétköznapibb és megbízhatóbb dekoherencia felé fordul.

A lényeg az, hogy ezekben a megfigyelési kísérletekben a kísérletezők elkerülhetetlenül befolyásolták a rendszert. Lézerrel meggyújtották és beszerelték mérőműszerek. Egy fontos elvet osztottak: nem figyelhetsz meg egy rendszert és nem mérheted a tulajdonságait anélkül, hogy ne lépnél kapcsolatba vele. Minden interakció a tulajdonságok módosításának folyamata. Különösen akkor, ha egy apró kvantumrendszert kolosszális kvantumobjektumok érnek. Valami örökké semleges buddhista megfigyelő elvileg lehetetlen. Itt jön képbe a „dekoherencia” kifejezés, amely termodinamikai szempontból visszafordíthatatlan: egy rendszer kvantumtulajdonságai megváltoznak, ha kölcsönhatásba lép egy másik nagy rendszerrel.

E kölcsönhatás során a kvantumrendszer elveszti eredeti tulajdonságait, és klasszikussá válik, mintha „engedelmeskedne”. nagy rendszer. Ez magyarázza Schrödinger macskájának paradoxonát: a macska túl sok nagy rendszer, így nem lehet elszigetelni a világ többi részétől. Ennek maga a tervezése gondolatkísérlet nem teljesen helyes.

Mindenesetre, ha feltételezzük a tudatos teremtés aktusának valóságát, a dekoherencia sokkal kényelmesebb megközelítésnek tűnik. Talán még túl kényelmes is. Ezzel a megközelítéssel az egész klasszikus világ a dekoherencia egyik nagy következményévé válik. És mint az egyik legtöbb szerzője híres könyvek ezen a területen egy ilyen megközelítés logikusan olyan kijelentésekhez vezet, mint „nincs részecskék a világon” vagy „nincs idő alapvető szinten”.

Mi az igazság: az alkotó-megfigyelő vagy az erőteljes dekoherencia? Két rossz közül kell választanunk. Ennek ellenére a tudósok egyre inkább meg vannak győződve arról, hogy a kvantumhatások a mi megnyilvánulásaink mentális folyamatok. És hogy hol végződik a megfigyelés és hol kezdődik a valóság, az mindannyiunktól függ.

Azonnal figyelmeztetem: ez a cikksorozat markánsan eltér a kvantummechanika hagyományos bevezetésétől.

Először, I Nem Idézek Richard Feynmant, aki egyszer kijelentette, hogy „jó nem érteni a kvantummechanikát, mert senki sem érti”. Ez valaha igaz volt, de az idők változnak.

Nem mondom: "A kvantummechanikát lehetetlen megérteni, csak meg kell szokni." (Ezt az idézetet Neumann Jánosnak tulajdonítják; ő azokban a sötét időkben élt, amikor senki sem és valóban nem értett a kvantummechanikához.)

Nem fejezheti be a magyarázatot a következő szavakkal: „Ha valami nem világos, annak így kell lennie.” Nem, ez így van nem szabad. Lehet, hogy te vagy a probléma. Talán a tanárod. Mindenesetre szükséges döntsd el, és ne dőljön hátra, és nyugtassa magát, hogy mindenki más sem ért semmit.

Nem mondom, hogy a kvantummechanika valami furcsa, zavaró vagy hozzáférhetetlen az emberi megértés számára. Igen, ez ellentmondásos – de ez kizárólag az intuíciónkkal van probléma. A kvantummechanika jóval a Nap, a Föld bolygó, ill emberi civilizáció. Nem fog megváltozni érted. Valójában nem is létezik elrettentő tények, csak van a tények által elbátortalanított elméletek; és ha az elmélet nem esik egybe a gyakorlattal, ez nem tesz jót neki.

A valóságot mindig érdemes teljesen hétköznapi dolognak tekinteni. Az idők kezdete óta nem történt az Univerzumban Semmi szokatlan.

A miénk cél- Tanuld meg otthon érezni magad ebben a kvantumvilágban. Mert már itthon vagyunk.

Ebben a sorozatban a kvantummechanikáról fogok beszélni a legközönségesebb elméletek; és ahol a világ intuitív elképzelése nem esik egybe vele, kinevetem intuíció a valósággal való összeegyeztethetetlenség miatt.

Másodszor, Nem fogom követni a kvantummechanika tanulmányozásának hagyományos sorrendjét, lemásolva azt a sorrendet, amelyben felfedezték.

Általában azzal a történettel kezdődik, hogy az anyag néha úgy viselkedik, mint egy csomó kis biliárdgolyó, amely egymással ütközik, néha pedig úgy, mint a hullámok egy medence felszínén. Ezt számos példa kíséri, amelyek mindkét anyagnézetet illusztrálják.

Korábban, amikor mindez még gyerekcipőben járt, és senkinek sem volt nincs ötletem O matematikai alapok A fizikusok és tudósok komolyan hitték, hogy minden olyan atomokból áll, amelyek körülbelül biliárdgolyóként viselkednek. Aztán elkezdték azt hinni, hogy minden hullámokból áll. Aztán visszamentek a biliárdlabdákhoz. Mindez oda vezetett, hogy a tudósok végülösszezavarodtak, és csak néhány évtizeddel később - a 19. század végére - sikerült mindent a helyére tenni.

Ha ezt alkalmazod történelmileg pontos a tanulás megközelítése modern diákok(ahogy most teszik), természetesen ugyanaz fog megtörténni velük, mint a korai tudósokkal: teljes és teljes zavarba fognak esni. A fizikus hallgatóknak a hullám-részecske kettősségről beszélni ugyanaz, mintha egy kémia tanfolyamot kezdenénk egy előadással a négy elemről.

Az elektron nem hasonló se biliárdlabdán, se egy óceán hullámának gerincén. Az elektron matematikai szempontból teljesen más tárgy, és az is marad bármilyen körülmények között. És ha kitartasz a vágy mellett, hogy mindkettőt figyelembe vegyétek, ahogy szeretnéd, Figyelmeztetlek: ha két mezei nyulat üldözöl, akkor sem fogod el.

Nem csak ez az oka annak, hogy a történelmi rend nem az a legjobb választás. Kövessük a hipotetikus folyamatot a legelejétől: az emberek észreveszik, hogy más állatok veszik körül - az állatok belsejében, kiderül, vannak szervek - és a szervek, ha jól megnézzük, szövetekből állnak - mikroszkóp alatt láthatja, hogy a szövetek sejtekből állnak - a sejtek fehérjék és egyéb kémiai vegyületek - kémiai vegyületek atomokból állnak - az atomok protonokból, neutronokból és elektronokból állnak - és az utóbbiak sokkal egyszerűbbek és érthetőbbek, mint azok az állatok, amelyekkel az egész kezdődött, de több tízezer évvel később fedezték fel.

A fizikát nem biológiával kezded. Akkor miért kell vitával kezdeni? laboratóriumi kísérletekés azok eredményei, amelyek a legegyszerűbb kísérletek esetén is sok bonyolult és bonyolult folyamat eredménye?

Egyrészt meg tudom érteni, hogy a kísérletezés miért áll az élen. kb fizika mondjuk végül is.

Másrészt komplexet adni a hallgatóknak matematikai berendezés csak azért, hogy elemezzenek egy egyszerű élményt - ez túl sok. A programozókat például először két változó hozzáadására tanítják, és csak ezután - többszálú alkalmazások írására; és ne törődj azzal, hogy az utóbbiak „közelebb vannak való élet».

A klasszikus mechanika nem következik kifejezetten a kvantummechanikából. Ráadásul, klasszikus mechanika sokkal többről van szó magas szint. Hasonlítsa össze az atomokat és molekulákat kvarkokkal: milliók ismert a tudomány számára vegyi anyagok, Száz kémiai elemek, és csak hat kvark. Jobb először az egyszerű dolgokat megérteni, és csak azután áttérni a bonyolultakra.

Végül, a kvantummechanikát szigorúan realista álláspontból fogom vizsgálni - világunk kvantum, egyenletünk egy területet ír le, nem annak térképét, és az általunk ismert világ implicit módon létezik a kvantumvilágban. Ha vannak antirealisták az olvasóim között - Kérem, tartsa meg észrevételeit. A kvantummechanikát sokkal nehezebb megérteni és elképzelni, ha kételkedünk az érvényességében. Erről részletesebben a következő cikkek egyikében fogok beszélni.

Úgy gondolom, hogy a bevezetőben bemutatott álláspontot az elméleti fizikusok többsége osztja. De még mindig tudnia kell, hogy nem ez az egyetlen lehetséges nézőpont, és a tudósok jelentős része kételkedik a realista álláspont érvényességében. Bár nem fogok más elméletekre figyelni épp most, kötelességemnek érzem megemlíteni, hogy ők Van.

Összegzés, az a célom, hogy megtanítsalak úgy gondolkodni a kvantumvilág szülötte, nem hogyan kelletlen turista.

Ragadja meg szorosan a valóságot. Kezdjük.

Konfigurációk és amplitúdók

Nézze meg az ábrát. 1. A ponton A van egy félig ezüstözött tükör, és a pontoknál BÉs C- két fotondetektor.

Ez az egyszerű kísérlet egykor arra késztette a tudósokat, hogy megvakarják a fejüket. Az a tény, hogy az esetek felében a tükör felé felszabaduló fotont az első detektor rögzítette, felében pedig a második. A tudósok pedig – figyelem, készülj fel a nevetésre – azt feltételezték, hogy a tükör vagy továbbította a fotont, vagy visszaveri.

Ha-ha-ha, képzelj el egy tükröt, amely eldöntheti, hogy átengedi-e a fotont vagy sem! Még ha el is tudod képzelni, semmi esetre se tedd – különben összezavarodsz, mint azok a tudósok. A tükör mindkét esetben pontosan ugyanúgy viselkedik.

Ha megpróbálnánk írni számítógépes program, szimulálva ez a kísérlet (és nem csak az eredmény előrejelzése), valahogy így nézne ki...

A program elején deklarálunk egy változót, amely egy bizonyos matematikai objektumot tárol - konfigurációt. A világ állapotának egy bizonyos leírását képviseli – ebben az esetben „egy foton az A pontba repül”.

Valójában a konfigurációt egy komplex szám írja le (ne feledje komplex számok alakja (a + b én), ahol a és b valós számok, A én- képzeletbeli egység, azaz. olyan szám, hogy én² = -1). A mi konfigurációnk „a foton a pontra repül A" is megfelel valamilyen számnak. Legyen (-1 + 0 én). A következőkben a konfigurációnak megfelelő számot hívjuk annak amplitúdó.

Mutassunk be még két konfigurációt: „a foton innen repül A pontosan B" és "a foton felől repül A pontosan C" Még nem ismerjük ezeknek a konfigurációknak az amplitúdóját; a program végrehajtása során értékeket kapnak.

Az amplitúdók kiszámíthatók a tükör működési szabályának a kezdeti konfigurációra történő alkalmazásával. Anélkül, hogy belemennénk a részletekbe, feltételezhetjük, hogy a szabály így néz ki: „szorozzuk meg 1-gyel, amikor a foton elrepül; szorozva én amikor a foton visszaverődik." Alkalmazzuk a szabályt: a „foton repül” konfiguráció amplitúdója B» egyenlő (-1 + 0 én) × én = (0 + -én), és a konfiguráció amplitúdója „a foton repül C» egyenlő (-1 + 0 én) × 1 = (-1 + 0 én). Egyéb konfigurációk az ábrán. Eltűnt az 1, szóval végeztünk.

Elvileg az „első detektor fotont érzékel” és a „második detektor fotont érzékel” elvileg külön konfigurációnak tekinthetnénk, de ez nem változtat semmit; amplitúdójuk megegyezik a két előző konfiguráció amplitúdójával, ill. (Tovább saját maga valójában még mindig meg kell szorozni őket egy tényezővel, egyenlő a távolsággal tól től A a detektorokhoz, de csak azt feltételezzük, hogy a kísérletünkben szereplő összes távolság egységtényező.)

Tehát itt van a program végső állapota:

• "A foton odarepül A": (-1 + 0 én)
• "A foton innen repül A V B»: (0 + - én)
• "A foton innen repül A V C": (-1 + 0 én)

És talán:

• "az első detektor kioldott": (0 + - én)
• „a második detektor kioldott”: (-1 + 0 én)

Természetesen akárhányszor futtatjuk a programot, a végső állapot ugyanaz marad.
Most, egészen összetett okok, amibe most nem megyek bele, nem létezik. egyszerű a konfiguráció amplitúdójának mérési módja. A program állapota el van rejtve előlünk.

Mit kell tenni?

Bár az amplitúdót nem tudjuk közvetlenül mérni, valami van - nevezetesen egy mágikus mérőeszközünk, amely meg tudja mondani a konfiguráció amplitúdójának modulusának négyzetét. Más szóval, az amplitúdóhoz (a + b én) a dolog az (a² + b²) számmal fog válaszolni.

Helyesebb lenne azt mondani, hogy a varázslat csak talál hozzáállás modulok négyzetei egymáshoz. De még ez az információ is elegendő ahhoz, hogy megértsük, mi történik a programon belül, és milyen törvények szerint működik.

A gizmo segítségével könnyen megtudhatjuk, hogy az „első detektor kioldott” és „a második detektor aktiválódott” konfigurációk moduljainak négyzete egyenlő. És néhány bonyolultabb kísérlet elvégzése után maguknak az amplitúdóknak az arányát is megtudhatjuk - én 1-hez.

Egyébként mi ez a varázslatos mérőlény?

Nos, amikor ilyen kísérleteket hajtanak végre a való életben, az a varázslatos dolog, hogy a kísérletet néhány ezer alkalommal elvégzik, és egyszerűen megszámolják, hányszor került a foton az első detektorba, és hányszor a másodikba. . Ezeknek az értékeknek az aránya az amplitúdómodulok négyzeteinek aránya lesz. Miértígy lesz – a kérdés más, sokkal összetettebb. Addig is használhatja a dolgot anélkül, hogy megértené, hogyan és miért működik. Mindennek megvan a maga ideje.

Felteheti a kérdést: „Miért van egyáltalán szükség a kvantumelméletre, ha annak előrejelzései egybeesnek a „biliárd” elmélet jóslataival? Ennek két oka van. Először, valóság, nem számít, mit gondol, akkor is engedelmeskedik kvantumtörvények- amplitúdók, komplex számok és minden. Másodszor pedig a „biliárd” elmélet nem működik bármilyen többé-kevésbé összetett kísérlethez. Példát akarsz? Kérem.

ábrán. 2 két tükröt láthat a pontokon BÉs C, és két féltükör a pontokon AÉs D. Később elmagyarázom, hogy miért ez a szegmens DE szaggatott vonallal húzva; Ez semmilyen módon nem befolyásolja a számításokat.

Alkalmazzuk a már ismert szabályokat.

Az elején a „foton repül” konfigurációnk van A", az amplitúdója (-1 + 0 én).

Megszámoljuk azoknak a konfigurációknak az amplitúdóját, amelyekből „egy foton repül A V B" és "a foton felől repül A V C»:

• "A foton innen repül A V B» = én× "foton repül ide A» = (0 + - én)
• "A foton innen repül A V C" = 1 × " foton repül ide A» = (-1 + 0 én)

Intuitív módon világos, hogy egy közönséges tükör úgy viselkedik, mint egy féltükör fele: mindig visszaver egy fotont, mindig megszorozza az amplitúdót én. Így:

• "A foton innen repül B V D» = én× "foton repül innen A V B" = (1 + 0 én)
• "A foton innen repül C V D» = én× "foton repül innen A V C» = (0 + - én)

Fontos megérteni, hogy „tól B V D" és "tól C V D" - ez két különböző konfiguráció. Nem írhatod csak úgy, hogy „a foton odarepül D", mert abból a szögből, amelybe ez a foton jön D, attól függ, mi történik vele ezután.

• B V D", egyenlő (1 + 0 én):
  • szorozva én, és az eredmény (0 + én D V E»
  • megszorozzuk 1-gyel, és az eredmény: (1 + 0 én) „a foton repül ahonnan” konfiguráció javára számít D V F»
• A „foton repül innen” konfiguráció amplitúdója C V D", egyenlő (0 + - én):
  • szorozva én, és az eredmény: (1 + 0 én) „a foton repül ahonnan” konfiguráció javára számít D V F»
  • megszorozzuk 1-gyel, és az eredmény: (0 + - én) „a foton repül ahonnan” konfiguráció javára számít D V E»

• "A foton innen repül D V E» = (0 + én) + (0 + -én) = (0 + 0én) = 0
• "A foton innen repül D V F" = (1 + 0 én) + (1 + 0én) = (2 + 0én)

Az amplitúdómodulok négyzeteinek aránya 0:4; A számításokból az következik, hogy az első detektor egyáltalán nem fog működni! Ezért a szegmens DEábrán szaggatott vonalként látható. 2.

Ha a féltükrök véletlenszerűen vernék vissza vagy továbbítanák a fotont, akkor mindkét detektor megközelítőleg azonos frekvencián válaszolna. De ez nem esik egybe a kísérleti eredményekkel. Ez minden.
Kifogásolhatja: „De ez még nem minden! Tegyük fel például, hogy amikor egy tükör visszaver egy fotont, akkor valami olyasmi történik vele, hogy másodszor nem fog visszaverődni? És fordítva, amikor egy tükör elhalad egy fotonon, a következő alkalommal vissza kell tükröződnie."

Először is Occam borotvája. Ne találd ki a dolgokat bonyolult magyarázat, ha már létezik egy prím (ha természetesen a kvantummechanikát vesszük figyelembe egyszerű...) Másodszor pedig előhozhatok egy másik tapasztalatot, ami megcáfolja ezt az alternatív elméletet.

Helyezzünk közé egy kis átlátszatlan tárgyat BÉs D, így a konfiguráció amplitúdója „a foton felől repül B V D" mindig egyenlő volt a nullával.

Most a konfiguráció amplitúdója „a foton repül D V F» egyenlő (1 + 0 én), és a konfiguráció amplitúdója „a foton repül D V E» - (0 + - én). A modulok négyzete egyenlő 1-gyel. Ez azt jelenti, hogy az esetek felében az első, felében a második detektor aktiválódik.

Ez lehetetlen magyarázzuk, ha feltételezzük, hogy a foton egy kis biliárdgolyó, amely a tükrökről visszaverődik.

A lényeg az, hogy az amplitúdó nem tekinthető valószínűségnek. Valószínűségelméletben, ha egy esemény x megtörténhet vagy nem, akkor az esemény valószínűsége Z egyenlő P( Z|x)P( x) + P( Z|¬ x)P(¬ x), ahol minden valószínűség pozitív. Ha tudja, hogy a valószínűség Z feltéve, hogy x történt 0,5, és a valószínűség x- Akkor 0,3 teljes valószínűség Z legalább 0,15, tekintet nélkül hogy mi lesz ha x nem fog megtörténni. Nincsenek negatív valószínűségek. A lehetséges és lehetetlen események nem zárják ki egymást. De az amplitúdók igen.

Íme egy példa rossz gondolkodik: „A foton odarepül B vagy be C, de ő tudott másképp repül, és ez befolyásolja annak valószínűségét, hogy berepül E…»

Események, amelyek Nem megtörtént, nincs hatással a világra. Az egyetlen dolog Talán a világ befolyásolása a képzeletünk. „Úristen, az az autó majdnem elütött” – gondolod, és elhatározod, hogy elmész egy kolostorba, hogy soha többé ne találkozz veszélyes autókkal. De még mindig nem igazán maga esemény, de csak a képzeleted van az agyadban – amit kivehetsz magadból, megérinthetsz és visszahelyezhetsz, hogy megbizonyosodj arról, hogy valóságos-e.

Minden, ami a világot érinti, valóságos. (Ha úgy gondolja, hogy ez nem így van, próbálja meg meghatározni a „valódi” szót.) A konfigurációk és az amplitúdók közvetlenül befolyásolják a világot, tehát valóságosak is. Azt mondani, hogy egy konfiguráció „mi történhet”, ugyanolyan furcsa, mint ezt mondani szék- ez "mi történhet".

Akkor mi ez a konfiguráció?

Folytatjuk.

Valójában minden egy kicsit bonyolultabb, mint gondolnád a cikk elolvasása után.
Minden konfiguráció leírja Minden részecskék az Univerzumban. Az amplitúdó az folyamatos eloszlás a konfigurációk teljes területén, és nem diszkrét, ahogyan ma gondoltuk. Valójában a fotonok nem teleportálnak egyik helyről a másikra. azonnal, és a világ minden egyes állapotát egy új konfiguráció írja le. Végül odaérünk.

Ha nem értettél semmit ebből a bekezdésből, ne aggódj, mindent elmagyarázok. Után.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete