Niekas šiame pasaulyje nesupranta, kas yra kvantinė mechanika. Tai galbūt svarbiausias dalykas, kurį turite žinoti apie ją. Žinoma, daugelis fizikų išmoko naudotis įstatymais ir netgi numatyti reiškinius, pagrįstus kvantiniu skaičiavimu. Tačiau vis dar neaišku, kodėl eksperimento stebėtojas nustato sistemos elgesį ir priverčia ją įgyti vieną iš dviejų būsenų.
Čia pateikiami keli eksperimentų su rezultatais, kurie stebėtojo įtakoje neišvengiamai pasikeis, pavyzdžiai. Jie parodo, kad kvantinė mechanika praktiškai susijusi su sąmoningos minties įsikišimu į materialią tikrovę.
- „Salik.biz“
Šiandien yra daugybė kvantinės mechanikos interpretacijų, tačiau bene garsiausias yra Kopenhagos aiškinimas. 1920-aisiais jos bendruosius postulatus suformulavo Niels Bohr ir Werner Heisenberg.
Kopenhagos aiškinimas grindžiamas bangos funkcija. Tai yra matematinė funkcija, kurioje yra informacija apie visas galimas kvantinės sistemos būsenas, kuriose ji egzistuoja vienu metu. Remiantis Kopenhagos aiškinimu, sistemos būklę ir jos padėtį kitų būsenų atžvilgiu galima nustatyti tik stebint (bangos funkcija naudojama tik matematiškai apskaičiuoti sistemos tikimybę rasti vienoje ar kitoje būsenoje).
Galime pasakyti, kad po stebėjimo kvantinė sistema tampa klasikine ir iškart nustoja egzistuoti kitose būsenose, išskyrus tas, kuriose ji buvo stebėta. Ši išvada surado savo oponentus (prisiminkite garsųjį Einšteino „Dievas nežaidžia kauliuko“), tačiau skaičiavimų ir prognozių tikslumas vis tiek turėjo savo.
Nepaisant to, Kopenhagos interpretacijos šalininkų skaičius mažėja, o pagrindinė to priežastis yra paslaptingas momentinis bangos funkcijos žlugimas eksperimento metu. Garsusis Erwino Schrödingerio minčių eksperimentas su vargana katė turėtų parodyti šio reiškinio absurdiškumą. Prisiminkime detales.
Juodojoje dėžėje sėdi juoda katė, kartu su ja yra butelis nuodų ir mechanizmas, galintis atsitiktinai išlaisvinti nuodus. Pavyzdžiui, radioaktyvusis atomas skilimo metu gali sulaužyti burbulą. Tikslus atomo skilimo laikas nežinomas. Žinomas tik pusinės eliminacijos laikas, kurio metu irimas vyksta su 50% tikimybe.
Akivaizdu, kad išorės stebėtojui katės dėžutės viduje yra dvi būsenos: ji yra gyva, jei viskas gerai, arba negyva, jei įvyko skilimas ir butelis sugedo. Abi šias būsenas apibūdina katės bangos funkcija, kuri laikui bėgant kinta.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kuo daugiau laiko praėjo, tuo labiau tikėtina, kad įvyko radioaktyvusis skilimas. Bet kai tik atidarome langelį, bangos funkcija žlunga ir iškart matome šio nežmoniško eksperimento rezultatus.
Tiesą sakant, kol stebėtojas neatidarys dėžutės, katė be galo subalansuos gyvenimą ir mirtį arba bus gyva ir negyva tuo pačiu metu. Jos likimą gali nulemti tik stebėtojo veiksmai. Šį absurdą nurodė Schrödingeris.
1. Elektronų difrakcija
„The New York Times“atlikta garsių fizikų apklausa, elektronų difrakcijos eksperimentas yra vienas nuostabiausių tyrimų mokslo istorijoje. Kokia jo prigimtis? Yra šaltinis, kuris skleidžia elektronų pluoštą ant šviesai jautraus ekrano. Šiems elektronams yra kliūtis, varinė plokštė su dviem plyšiais.
Kokio vaizdo galite tikėtis ekrane, jei elektronai mums dažniausiai pateikiami kaip maži įkrauti rutuliai? Dvi juostelės priešais vario plokštės plyšius. Tačiau iš tikrųjų ekrane pasirodo daug sudėtingesnis pakaitų baltos ir juodos juostos raštas. Taip yra dėl to, kad eidami pro plyšį, elektronai pradeda elgtis ne tik kaip dalelės, bet ir kaip bangos (fotonai ar kitos šviesos dalelės elgiasi vienodai, o tai gali būti banga tuo pačiu metu).
Šios bangos sąveikauja erdvėje, susiduria ir sustiprina viena kitą, ir dėl to ekrane pasirodo sudėtingas kintamų šviesos ir tamsių juostų raštas. Tuo pačiu metu šio eksperimento rezultatas nesikeičia, net jei elektronai praeina vienas po kito - net viena dalelė gali būti banga ir vienu metu praeiti per du plyšius. Šis postulatas buvo vienas iš pagrindinių Kopenhagos kvantinės mechanikos aiškinimų, kai dalelės, kaip banga, vienu metu gali įrodyti savo „įprastas“fizines savybes ir egzotines savybes.
O kaip stebėtojas? Būtent jis daro šią painią istoriją dar painesnę. Kai fizikai tokių eksperimentų metu bandė instrumentų pagalba nustatyti, per kurį plyšį elektronas iš tikrųjų praeina, vaizdas ekrane smarkiai pasikeitė ir tapo „klasikiniu“: dviem apšviestomis sekcijomis griežtai priešais plyšius, be jokių kintamų juostelių.
Atrodė, kad elektronai nenori atskleisti savo bangos prigimties stebėtojų akims. Panašu, kad tamsoje apgaubta paslaptis. Tačiau yra ir paprastesnis paaiškinimas: sistemos stebėjimas negali būti atliekamas jai fiziškai nedarant įtakos. Apie tai aptarsime vėliau.
2. Šildomos fullenos
Dalelių difrakcijos eksperimentai buvo atlikti ne tik su elektronų, bet ir su kitais, daug didesniais objektais. Pavyzdžiui, jie naudojo fulleninus, dideles ir uždaras molekules, sudarytas iš kelių dešimčių anglies atomų. Neseniai Vienos universiteto mokslininkų grupė, vadovaujama profesoriaus Zeilingerio, bandė į šiuos eksperimentus įtraukti stebėjimo elementą. Norėdami tai padaryti, jie apšvitino judančias fulreno molekules lazerio spinduliais. Tada, kaitinamos išorinio šaltinio, molekulės pradėjo švytėti ir neišvengiamai parodo savo buvimą stebėtojui.
Kartu su šia naujove pasikeitė ir molekulių elgesys. Prieš pradedant tokį išsamų stebėjimą, fuleranai gana sėkmingai išvengdavo kliūčių (pasižymintys bangų savybėmis), panašiai kaip ankstesniame pavyzdyje, kai elektronai smogė į ekraną. Bet, dalyvaujant stebėtojui, fullerinai pradėjo elgtis kaip visiškai įstatymų besilaikantys fiziniai dalelės.
3. Aušinimo matmenys
Vienas garsiausių kvantinės fizikos pasaulio dėsnių yra Heisenbergo neapibrėžtumo principas, pagal kurį neįmanoma nustatyti kvantinio objekto greičio ir padėties tuo pačiu metu. Kuo tiksliau išmatuojame dalelės impulsą, tuo mažiau tiksliau galime išmatuoti jos vietą. Tačiau mūsų makroskopiniame realiame pasaulyje mažų dalelių veikiančių kvantinių dėsnių galiojimas paprastai nepastebimas.
Neseniai atlikti profesoriaus Schwabo iš JAV eksperimentai yra labai vertingas indėlis šioje srityje. Kvantinis efektas šiuose eksperimentuose buvo įrodytas ne elektronų ar fullereno molekulių lygiu (kurių apytikslis skersmuo yra 1 nm), bet didesniems objektams - maža aliuminio juostele. Ši juosta buvo pritvirtinta iš abiejų pusių taip, kad jos vidurys buvo pakabinamas ir galėjo vibruoti veikdamas išorės. Be to, netoliese buvo pastatytas įrenginys, galintis tiksliai užfiksuoti juostos vietą. Eksperimentas atskleidė keletą įdomių dalykų. Pirma, bet koks matavimas, susijęs su objekto padėtimi ir juostos stebėjimu, jį paveikė, po kiekvieno matavimo juostos padėtis pasikeitė.
Eksperimentatoriai labai tiksliai nustatė juostos koordinates ir taip, vadovaudamiesi Heisenbergo principu, pakeitė jos greitį, taigi ir vėlesnę padėtį. Antra, gana netikėtai, kai kurie matavimai paskatino juostą atvėsti. Taigi stebėtojas gali pakeisti fizines objektų savybes vien savo buvimu.
4. Užšaldančios dalelės
Kaip žinote, nestabilios radioaktyviosios dalelės suyra ne tik atliekant eksperimentus su katėmis, bet ir pačios. Kiekvienos dalelės gyvenimo trukmė yra vidutinė, kuri, kaip paaiškėja, gali padidėti stebint stebėtojui. Šis kvantinis efektas buvo numatytas dar 60-aisiais, o jo puikūs eksperimentiniai įrodymai pasirodė popieriuje, kurį paskelbė Nobelio fizikos laureato vadovaujama grupė Wolfgangas Ketterle iš Masačusetso technologijos instituto.
Šiame darbe buvo tiriamas nestabilių sužadintų rubidžio atomų skilimas. Iškart po sistemos paruošimo atomai sužadinami lazerio spinduliu. Stebėjimas vyko dviem režimais: nepertraukiamu (sistema buvo nuolat veikiama mažų šviesos impulsų) ir impulsiniu (sistema retkarčiais buvo švitinama galingesniais impulsais).
Gauti rezultatai visiškai atitiko teorines prognozes. Išorinis šviesos poveikis sulėtina dalelių irimąsi, grąžindamas jas į pradinę būseną, kuri yra toli nuo skilimo būsenos. Šis poveikis taip pat atitiko prognozes. Maksimalus nestabilių sužadintų rubidžio atomų tarnavimo laikas padidėjo 30 kartų.
5. Kvantinė mechanika ir sąmonė
Elektronai ir fullenai nustoja rodyti savo bangų savybes, aliuminio plokštės atvėsta, o nestabilios dalelės lėtina jų irimą. Stebima žiūrinčiojo akis tiesiogine prasme keičia pasaulį. Kodėl tai negali būti mūsų proto dalyvavimo pasaulio veikloje įrodymas? Galbūt Carlas Jungas ir Wolfgangas Pauli (austrų fizikas, Nobelio premijos laureatas, kvantinės mechanikos pradininkas) iš tikrųjų buvo teisūs sakydami, kad fizikos ir sąmonės įstatymai turi būti vertinami kaip vienas kitą papildantys?
Esame per vieną žingsnį pripažindami, kad mus supantis pasaulis yra tik iliuzinis mūsų proto produktas. Idėja gąsdinanti ir viliojanti. Pabandykime vėl kreiptis į fizikus. Ypač pastaraisiais metais, kai vis mažiau ir mažiau žmonių tiki Kopenhagos kvantinės mechanikos interpretacijai, kai jos kriptinės bangos funkcijos suyra, nurodant kasdieniškesnį ir patikimesnį ryšį.
Esmė ta, kad visuose šiuose eksperimentuose su stebėjimais eksperimentatoriai neišvengiamai darė įtaką sistemai. Jie apšvietė jį lazeriu ir sumontavo matavimo prietaisus. Juos vienijo svarbus principas: negalite stebėti sistemos ar išmatuoti jos savybių, nesikišdami į ją. Bet kokia sąveika yra savybių modifikavimo procesas. Ypač tada, kai mažytė kvantų sistema yra veikiama kolosalių kvantinių objektų. Kai kuriam amžinai neutraliam budizmo stebėtojui iš principo neįmanoma. Ir čia žaidžiamas terminas „dekoherence“, kuris termodinaminiu požiūriu yra negrįžtamas: sistemos kvantinės savybės keičiasi sąveikaujant su kita didele sistema.
Šios sąveikos metu kvantinė sistema praranda savo pirmines savybes ir tampa klasikine, tarsi „paklusdama“didelei sistemai. Tai taip pat paaiškina Schrödingerio katės paradoksą: katė yra per didelė sistema, todėl jos negalima atskirti nuo likusio pasaulio. Pats šio mąstymo eksperimento planas nėra visiškai teisingas.
Bet kokiu atveju, jei mes sąmoningai priimame kūrimo akto tikrovę, atrodo, kad dekoratyvumas yra daug patogesnis požiūris. Gal net per patogu. Taikant šį požiūrį, visas klasikinis pasaulis tampa viena didele dekretinumo pasekme. Ir, kaip teigė vienos garsiausių šios srities knygų autorius, toks požiūris logiškai veda prie teiginių, tokių kaip „pasaulyje nėra dalelių“arba „pagrindiniame lygmenyje nėra laiko“.
Ar tai tiesa kūrėjui-stebėtojui ar galingam nuoširdumui? Turime pasirinkti tarp dviejų blogybių. Nepaisant to, mokslininkai vis labiau įsitikina, kad kvantiniai efektai yra mūsų psichinių procesų pasireiškimas. O kur baigiasi stebėjimas ir prasideda realybė, priklauso nuo kiekvieno iš mūsų.
Remiantis topinfopost.com medžiaga