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 szabadna. Lehet, hogy te vagy a probléma. Talán a tanárod. Mindenesetre szükséges dönt, és ne dőljön hátra, és nyugtassa magát, hogy mindenki más sem ért semmit.

Ezt nem mondom kvantummechanika- ez 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 fogalmam sincs 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 sem biliárdlabdán, sem egy óceán hullámának gerincén. Az elektron teljesen más tárgy, mint vele matematikai pont látomás, és ez így is marad bármilyen körülmények között. És ha kitartasz a vágy mellett, hogy mindkettőt figyelembe vegyétek, ami Önnek kényelmesebb, Figyelmeztetlek: ha két mezei nyulat üldözöl, akkor sem fogod el.

Nem csak ez az oka annak, hogy a történelmi rend nem az legjobb választás. Kövessük a hipotetikus folyamatot a kezdetektől fogva: 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 számos 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 egy egyszerű tapasztalatot elemezzenek - ez túl sok. A programozókat például először két változó hozzáadására tanítják meg, és csak azután tanítják meg többszálú alkalmazások írását; és ne törődj azzal, hogy az utóbbiak „közelebb vannak igazi életet».

A klasszikus mechanika nem következik kifejezetten a kvantummechanikából. Ráadásul, klasszikus mechanika sokkal többről van szó magas szintű. Hasonlítsa össze az atomokat és molekulákat kvarkokkal: milliók ismert a tudomány számára vegyszerek, 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 a területet írja le, nem a 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 pont most, kötelességemnek érzem megemlíteni, hogy ők Van.

Összefoglalva, az a célom, hogy megtanítsalak úgy gondolkodni bennszülött kvantumvilág , 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, akkor ne tedd – különben össze fogsz zavarodni, 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 bizonyosat tárol matematikai objektum - konfigurációt. A világ állapotának egy bizonyos leírását képviseli - in ebben az esetben"Egy foton az A pontba repül."

Valójában a konfigurációt egy komplex szám írja le (hadd emlékeztessem önöket erre 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 a lényegre B" és "a foton felől repül A a lényegre 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; szorozzuk meg vele én amikor a foton visszaverődik." Alkalmazzuk a szabályt: az „egy 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 észlel” elvileg külön konfigurációnak tekinthetjük, de ez nem változtat semmit; amplitúdójuk megegyezik a két előző konfiguráció amplitúdójával, ill. (On magát valójában még mindig meg kell szorozni őket egy tényezővel, egyenlő a távolsággal-tól 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 tegyek?

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 miféle varázslatos mérőeszköz ez?

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, továbbra is betartja a kvantumtörvényeket – amplitúdók, komplex számok és minden. Másodszor pedig a „biliárd” elmélet nem működik bármilyen többé-kevésbé összetett kísérlethez. Példát akarsz? Kérem.

ábrán. 2 a pontokon két tükröt láthat BÉs C, és két féltükör a pontokon AÉs D. Később elmagyarázom, 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 lehet csak azt írni, 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 visszavertek vagy továbbítottak egy fotont véletlenszerűen, mindkét detektor megközelítőleg azonos frekvencián válaszolna. De ez nem esik egybe a kísérleti eredményekkel. Ennyi.
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 előrukkolhatok egy másik tapasztalattal, 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 hanem 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. „Istenem, az az autó majdnem elütött” – gondolod, és elhatározod, hogy elmész egy kolostorba, hogy soha többé ne találkozz veszélyes autókkal. De még mindig nem az igazi 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?

Folytatás következik.

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.

Sziasztok kedves olvasók. Ha nem akarsz lemaradni az életről, légy igazán boldog és egészséges ember, tudnia kell a kvantum titkairól modern fizika, legalább van egy kis fogalma arról, hogy a világegyetem milyen mélységeibe ástak ma a tudósok. 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 az embernek nagyon nehezen látható.

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

Innen az összes bonyolultság és félreértés kvantumfizika.

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, bármelyik elemi részecske, ez nem csak 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 legtöbbet 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, 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 végül is részecskék, ami azt jelenti, hogy a két résen áthaladó elektronáramlásnak csak két csíkot kell hagynia a képernyőn, két nyomot a résekkel 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 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. Hogyan? 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 interferenciaminta jelenik meg a képernyőn, hanem egy egyszerű nyom a réssel 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 az összeomlás fogalma. hullámfüggvény.

Amikor egy elektron a réshez repül, akkor benne van egy bizonyos állapot vagy ahogy fentebb szuperpozícióban mondtuk. Vagyis hullámként viselkedik, egyidejűleg a tér különböző pontjain van, és egyszerre két spin értéke van (a spinnek csak két értéke van). Ha nem nyúltunk volna hozzá, ha nem próbáltuk volna megnézni, ha nem tudtuk volna meg, hogy pontosan hol van, ha nem mérjük meg a forgásának értékét, akkor hullámként repült volna át két résen egyszerre. , 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 minket, 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 dupla 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.

Ha hirtelen ráébredt, hogy elfelejtette a kvantummechanika alapjait és posztulátumait, vagy még azt sem tudja, milyen mechanikáról van szó, akkor itt az ideje, hogy felfrissítse emlékezetét erről az információról. Végtére is, senki sem tudja, mikor lehet hasznos a kvantummechanika az életben.

Hiába vigyorogsz és gúnyolsz, azt gondolva, hogy soha életedben nem kell ezzel a témával foglalkoznod. Hiszen a kvantummechanika szinte minden ember számára hasznos lehet, még annak is, aki végtelenül távol van tőle. Például álmatlanságod van. A kvantummechanika számára ez nem probléma! Olvassa el a tankönyvet lefekvés előtt – és a harmadik oldalon mély álomba merül. Vagy hívhatod így a menő rockbandádat. Miért ne?

Viccet félretéve, kezdjünk egy komoly kvantumbeszélgetést.

Hol kezdjem? Természetesen, kezdve azzal, hogy mi a kvantum.

Kvantum

A kvantum (a latin quantum szóból - „mennyit”) valamilyen fizikai mennyiség oszthatatlan része. Például azt mondják - egy fénykvantum, egy energiakvantum vagy egy mezőkvantum.

Mit jelent ez? Ez azt jelenti, hogy egyszerűen nem lehet kevesebb. Amikor azt mondják, hogy egy mennyiség kvantált, megértik, hogy ez a mennyiség számos konkrét, különálló értéket vesz fel. Így az atomban lévő elektron energiája kvantálódik, a fény „részletekben”, azaz kvantumokban oszlik el.

Maga a „kvantum” kifejezés sokféleképpen használható. Fénykvantum ( elektromágneses mező) egy foton. Analógia alapján a kvantumok olyan részecskék vagy kvázirészecskék, amelyek más interakciós mezőknek felelnek meg. Itt felidézhetjük a híres Higgs-bozont, amely a Higgs-mező kvantuma. De még nem megyünk be ezekbe a dzsungelekbe.

Kvantummechanika próbabábukhoz

Hogyan lehet a mechanika kvantum?

Ahogy már észrevetted, beszélgetésünk során sokszor említettük a részecskéket. Megszokhatta, hogy a fény egy hullám, amely egyszerűen csak nagy sebességgel terjed Vel . De ha mindent a kvantumvilág, vagyis a részecskék világa felől nézünk, minden a felismerhetetlenségig megváltozik.

A kvantummechanika egy szakasz elméleti fizika, komponens kvantumelmélet, leírva fizikai jelenségek tulajdonképpen elemi szinten– részecskeszint.

Az ilyen jelenségek hatása nagyságrendileg összemérhető a Planck-állandóval, és a Newton-féle klasszikus mechanika és elektrodinamika teljességgel alkalmatlannak bizonyult leírásukra. Például szerint klasszikus elmélet Az atommag körül nagy sebességgel forgó elektronnak energiát kell kisugároznia, és végül az atommagra kell esnie. Ez, mint tudjuk, nem történik meg. Ezért találták fel a kvantummechanikát nyílt jelenségek valahogy meg kellett magyarázni, és kiderült, hogy pontosan az az elmélet, amelyen belül a magyarázat a legelfogadhatóbb, és minden kísérleti adat „együtt”.

Apropó! Olvasóink most 10% kedvezményt kapnak

Egy kis történelem

A kvantumelmélet megszületése 1900-ban következett be, amikor Max Planck felszólalt a Német Fizikai Társaság ülésén. Mit mondott akkor Planck? És az a tény, hogy az atomok sugárzása diszkrét, és ennek a sugárzásnak az energiájának legkisebb része egyenlő

ahol h - Planck állandó, nu - frekvencia.

Ezután Albert Einstein, bevezetve a „fénykvantum” fogalmát, Planck hipotézisét használta a fotoelektromos hatás magyarázatára. Niels Bohr feltételezte, hogy az atomban stacionárius feltételek léteznek energiaszintek Louis de Broglie pedig kidolgozta a hullám-részecske kettősség gondolatát, vagyis azt, hogy egy részecskének (testtestnek) is vannak hullámtulajdonságai. Schrödinger és Heisenberg csatlakozott az ügyhöz, és 1925-ben megjelent a kvantummechanika első megfogalmazása. Valójában a kvantummechanika korántsem teljes elmélet, jelenleg aktívan fejlődik. Azt is el kell ismerni, hogy a kvantummechanika a maga feltevéseivel nem képes megmagyarázni az összes kérdést, amellyel szembenéz. Nagyon valószínű, hogy egy fejlettebb elmélet váltja fel.

A kvantumvilágból a számunkra ismerős dolgok világába való átmenet során a kvantummechanika törvényei természetesen átalakulnak a klasszikus mechanika törvényeivé. Azt mondhatjuk, hogy a klasszikus mechanika az speciális eset kvantummechanika, amikor a cselekmény az ismerős és megszokott makrovilágunkban játszódik. Itt a testek nyugodtan mozognak nem inerciális vonatkoztatási rendszerben, sokkal kisebb sebességgel, mint a fénysebesség, és általában minden nyugodt és tiszta körülötte. Ha meg akarja tudni egy test helyzetét egy koordinátarendszerben, akkor nincs gond, ha meg akarja mérni az impulzust, szívesen.

A kvantummechanika teljesen más megközelítést alkalmaz a kérdéshez. A mérési eredményeket tartalmazza fizikai mennyiségek valószínűségi jellegűek. Ez azt jelenti, hogy ha egy bizonyos érték megváltozik, több eredmény is lehetséges, amelyek mindegyikének van bizonyos valószínűsége. Mondjunk egy példát: egy érme forog az asztalon. Amíg forog, nincs semmilyen konkrét állapotban (fej-farok), hanem csak annak a valószínűsége, hogy ezen állapotok valamelyikébe kerül.

Itt fokozatosan közeledünk Schrödinger egyenletÉs Heisenberg bizonytalansági elv.

A legenda szerint Erwin Schrödingert 1926-ban egy tudományos szemináriumon a hullám-részecske kettősség témájában beszélt egy bizonyos vezető tudós bírálta. Schrödinger nem volt hajlandó hallgatni az idősebbekre, ezért az eset után aktívan elkezdte kifejleszteni a hullámegyenletet a részecskék leírására a kvantummechanika keretein belül. És zseniálisan csinálta! A Schrödinger-egyenlet (a kvantummechanika alapegyenlete) a következő:

Ez a típus egyenletek - az egydimenziós stacionárius Schrödinger-egyenlet - a legegyszerűbb.

Itt x a részecske távolsága vagy koordinátája, m a részecske tömege, E és U a teljes és potenciális energia. Ennek az egyenletnek a megoldása a hullámfüggvény (psi)

A hullámfüggvény egy másik alapvető fogalom a kvantummechanikában. Tehát minden kvantumrendszernek, amely valamilyen állapotban van, van egy hullámfüggvénye, amely leírja ezt az állapotot.

Például, egydimenziós megoldásánál stacionárius egyenlet A Schrödinger-hullámfüggvény egy részecske térbeli helyzetét írja le. Pontosabban annak a valószínűsége, hogy a tér egy bizonyos pontján részecskét találunk. Más szavakkal, Schrödinger megmutatta, hogy a valószínűség leírható hullámegyenlet! Egyetértek, erre már korábban is gondolnunk kellett volna!

De miért? Miért kell foglalkoznunk ezekkel az érthetetlen valószínűségekkel és hullámfüggvényekkel, amikor, úgy tűnik, nincs egyszerűbb, mint egy részecske távolságát vagy sebességét megmérni.

Ez nagyon egyszerű! Valóban, a makrokozmoszban ez valóban így van - mérőszalaggal bizonyos pontossággal mérjük a távolságokat, és a mérési hibát a készülék jellemzői határozzák meg. Másrészt szemmel szinte pontosan meg tudjuk határozni a távolságot egy tárgytól, például egy asztaltól. Mindenesetre pontosan megkülönböztetjük helyzetét a helyiségben hozzánk és más tárgyakhoz képest. A részecskék világában a helyzet alapvetően más – egyszerűen fizikailag nem állnak rendelkezésünkre olyan mérőeszközeink, amelyekkel pontosan meg lehetne mérni a szükséges mennyiségeket. Hiszen a mérőműszer közvetlenül érintkezik a mért tárggyal, esetünkben a tárgy és a műszer is részecskék. Ez a tökéletlenség, a részecskére ható összes tényező figyelembevételének alapvető lehetetlensége, valamint maga az a tény, hogy a mérés hatására megváltozik a rendszer állapota, áll a Heisenberg-féle bizonytalansági elv mögött.

Adjuk meg a legegyszerűbb megfogalmazását. Képzeljük el, hogy van egy bizonyos részecske, és tudni akarjuk a sebességét és a koordinátáját.

Ebben az összefüggésben a Heisenberg-féle bizonytalansági elv kimondja, hogy nem lehet pontosan mérni egy részecske helyzetét és sebességét egyszerre. . Matematikailag így van leírva:

Itt a delta x a koordináta meghatározásának hibája, a delta v a sebesség meghatározásának hibája. Hangsúlyozzuk – ezt az elvet azt sugallja, hogy minél pontosabban határozzuk meg a koordinátát, annál kevésbé fogjuk tudni a sebességet. És ha meghatározzuk a sebességet, akkor halvány fogalmunk sem lesz arról, hogy hol van a részecske.

Sok vicc és anekdota szól a bizonytalansági elv témájában. Íme az egyik közülük:

Egy rendőr megállít egy kvantumfizikust.
- Uram, tudja, milyen gyorsan haladt?
- Nem, de pontosan tudom, hol vagyok.

És természetesen emlékeztetünk! Ha hirtelen, valamilyen oknál fogva a Schrödinger-egyenlet megoldása egy potenciálkútban lévő részecskére nem engedi aludni, vegye fel a kapcsolatot azokkal a szakemberekkel, akik kvantummechanika az ajkakon!

Sok ember számára a fizika olyan távolinak és zavarosnak tűnik, a kvantumfizika pedig még inkább. De szeretném feltárni a fátylat előtted nagy titok, mert a valóságban minden furcsa, de megfejthetetlennek bizonyul.

És a kvantumfizika is - nagyszerű tétel okos emberekkel beszélni.

A kvantumfizika egyszerűvé tette

Először a fejedben kell rajzolnod egyet nagy vonal a mikrovilág és a makrovilág között, mert ezek a világok teljesen mások. Minden, amit az Ön által ismert térről és a benne lévő tárgyakról tud, hamis és elfogadhatatlan a kvantumfizikában.

Valójában a mikrorészecskéknek nincs sem sebességük, sem konkrét helyzetük, amíg a tudósok meg nem nézik őket. Ez a kijelentés egyszerűen abszurdnak tűnik számunkra, és Albert Einsteinnek is annak tűnt, de méghozzá nagy fizikus meghátrált.

A tény az, hogy a kutatások bebizonyították, hogy ha egyszer ránézel egy bizonyos pozíciót elfoglaló részecskére, majd elfordulsz és újra megnézed, látni fogod, hogy ez a részecske már teljesen más pozíciót foglalt el.

Ezek a szemtelen részecskék

Minden egyszerűnek tűnik, de ha ugyanazt a részecskét nézzük, az áll. Vagyis ezek a részecskék csak akkor mozognak, ha nem látjuk.

A lényeg az, hogy minden részecskének (a valószínűség-elmélet szerint) van egy valószínűségi skálája, hogy egyik vagy másik pozícióban van. Amikor pedig elfordulunk, majd újra elfordulunk, a részecskét a valószínűségi skála szerint bármelyik lehetséges helyzetében elkaphatjuk.

A tanulmány szerint a részecskét benne keresték különböző helyeken, majd abbahagyta a figyelését, majd újra figyelte, hogyan változott a helyzete. Az eredmény egyszerűen lenyűgöző volt. Összefoglalva, a tudósok valóban képesek voltak létrehozni egy valószínűségi skálát, ahol ez vagy az a részecske található.

Például egy neutron képes három pozícióban lenni. A kutatás elvégzése után azt tapasztalhatja, hogy az első pozícióban 15%, a másodikban - 60%, a harmadikban - 25% valószínűséggel.

Ezt az elméletet még senki sem tudta megcáfolni, így furcsa módon ez a leghelyesebb.

Makrovilág és mikrovilág

Ha kiveszünk egy tárgyat a makrokozmoszból, látni fogjuk, hogy annak is van valószínűségi skálája, de az teljesen más. Például annak a valószínűsége, hogy elfordul, és a világ másik felén találja meg telefonját, szinte nulla, de még mindig létezik.

Ekkor felmerül a kérdés: hogy lehet, hogy ilyen eseteket még nem rögzítettek? Ez azzal magyarázható, hogy ennek olyan kicsi a valószínűsége, hogy az emberiségnek annyi évet kellene várnia, mint amennyit bolygónk és az egész univerzum még nem élt meg, hogy láthasson egy ilyen eseményt. Kiderült, hogy a telefonja majdnem 100%-os valószínűséggel pontosan oda kerül, ahol látta.

Kvantum alagútépítés

Innentől eljuthatunk a kvantum-alagút fogalmához. Ez egy tárgy fokozatos (nagyon durván fogalmazva) egy teljesen más helyre való átmenetének koncepciója minden külső hatás nélkül.

Vagyis minden kezdődhet egy neutronnal, amely egy szép pillanatban abba a szinte nulla valószínűségbe esik, hogy teljesen más helyen van, és több neutron más helyen található, annál nagyobb a valószínűsége.

Természetesen egy ilyen átmenet annyi évig tart, amennyit bolygónk még nem élt, de a kvantumfizika elmélete szerint kvantum alagút történik.

Olvassa el még:

Senki sem érti ezen a világon, mi az a kvantummechanika. Talán ez a legfontosabb dolog, amit tudnod kell róla. Természetesen sok fizikus megtanulta a törvények használatát, sőt a jelenségek előrejelzését is 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 oka 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, egy fiola méreggel és egy mechanizmussal, amely véletlenszerűen képes kiengedni a mérget. 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.

Nyilvánvaló, hogy egy külső szemlélő számára 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 valószínűbb hogy radioaktív bomlás történt. De amint kinyitjuk a dobozt, a hullámfüggvény összeomlik, és azonnal látjuk ennek az embertelen kísérletnek az eredményét.

Valójában mindaddig, amíg a megfigyelő ki nem nyitja a dobozt, a macska vég nélkül inog 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 tulajdonságaités 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 műszerekkel próbálták meghatározni, hogy az elektron valójában melyik résen haladt át, a képernyőn látható kép drámaian megváltozott, és „klasszikussá” vált: két megvilágított rész közvetlenül a hasításokkal szemben, 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. A közelmúltban 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 (ez látható 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. A mi makroszkopikusunkban azonban való világérvényesség kvantumtörvények az apró részecskékre gyakorolt ​​hatás általában észrevétlen marad.

Az amerikai Schwab professzor közelmúltbeli kísérletei nagyon 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 lelógjon, és külső hatás hatására rezeghessen. 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 Carl Jung és Wolfgang Pauli (osztrák fizikus, díjazott Nobel-díj, a kvantummechanika úttörője) végül is igazuk volt, 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 években 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: kvantumtulajdonságok a rendszerek megváltoznak, amikor egy másik nagyobb rendszerrel lépnek kapcsolatba.

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. A tudósok azonban egyre inkább meg vannak győződve arról kvantumhatások- megnyilvánulásunk mentális folyamatok. És hogy hol végződik a megfigyelés és hol kezdődik a valóság, az mindannyiunktól függ.

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