A kvantumfizika alapjai öt próbabábukkal végzett kísérletben. Hogyan irányítja a tudat az anyagot

Amikor az emberek meghallják a „kvantumfizika” szavakat, általában vállat vonnak: „Ez valami rettenetesen bonyolult”. Eközben ez abszolút nem igaz, és semmi ijesztő nincs a „kvantum” szóban. Rengeteg érthetetlen dolog van, sok érdekesség, de semmi ijesztő.

Ról ről könyvespolcok, létrák és Ivan Ivanovics

A minket körülvevő világ minden folyamata, jelensége és mennyisége két csoportra osztható: folyamatos (tudományosan folytonosság ) és nem folytonos (tudományosan diszkrét ill kvantált ).

Képzelj el egy asztalt, amelyre egy könyvet helyezhetsz el. A könyvet bárhová leteheti az asztalra. Jobbra, balra, középre... Ahova akarja, tegye oda. Ebben az esetben a fizikusok azt mondják, hogy a könyv helyzete az asztalon megváltozik folyamatosan .

Most képzelje el a könyvespolcokat. Feltehetsz egy könyvet az első polcra, a másodikra, a harmadikra ​​vagy a negyedikre – de nem tehetsz könyvet "valahol a harmadik és a negyedik közé". Ebben az esetben a könyv helyzete megváltozik szakaszosan , diszkréten , kvantált (ezek a szavak ugyanazt jelentik).

A minket körülvevő világ tele van folyamatos és kvantált mennyiségekkel. Itt van két lány - Katya és Masha. Magasságuk 135 és 136 centiméter. Ez milyen méret? A magasság folyamatosan változik, lehet 135 és fél centiméter, vagy 135 és negyed centiméter. De annak az iskolának a száma, ahol a lányok tanulnak, kvantált mennyiség! Tegyük fel, hogy Katya a 135-ös, Mása pedig a 136-os iskolában tanul. A 135-ös és fél iskolában azonban egyikük sem tanulhat, igaz?

Egy másik példa a kvantált rendszerre a sakktábla. Egy sakktáblán 64 mező van, és minden bábu csak egy mezőt foglalhat el. Elhelyezhetünk egy gyalogot valahol a cellák közé, vagy két gyalogot egyszerre egy cellára? Valójában megtehetjük, de a szabályok szerint nem.

Folyamatos ereszkedés

És itt van a csúszda a játszótéren. Gyerekek csúsznak le róla - mert a csúszda magassága simán, folyamatosan változik. Most képzelje el, hogy ez a csúszda hirtelen (hullám varázspálca!) lépcsőházzá változott. Legurulni róla a fenekére már nem fog menni. A lábaddal kell járnod – először egy lépést, majd egy másodikat, majd egy harmadikat. A méret (magasság) megváltozott folyamatosan – de lépésenként, azaz diszkréten változni kezdett, kvantált .

Kvantizált süllyedés

Ellenőrizzük!

1. A dachában egy szomszéd, Ivan Ivanovics elment a szomszéd faluba, és azt mondta: „Útközben megpihenek valahol.”

2. A dachában egy szomszéd, Ivan Ivanovics elment a szomszéd faluba, és azt mondta: „Elmegyek egy busszal.”

A két helyzet („rendszer”) közül melyik tekinthető folyamatosnak, és melyik tekinthető kvantáltnak?

Válasz:

Az első esetben Ivan Ivanovics sétál, és bármikor megállhat pihenni. Ez azt jelenti, hogy ez a rendszer folyamatos.

A másodikban Ivan Ivanovics felszállhat a megállóba érkező buszra. Lehet, hogy lemarad, és megvárja a következő buszt. De nem fog tudni „valahol” a buszok közé ülni. Ez azt jelenti, hogy ez a rendszer kvantált!

A csillagászatot okolja

Az ókori görögök jól tudták a folytonos (folyamatos) és nem folytonos (kvantált, nem folytonos, diszkrét) mennyiségek létezését. Arkhimédész Psammit (Homokszemcsék kalkulusa) című könyvében meg is tette az első kísérletet arra, hogy matematikai kapcsolatot létesítsen a folytonos és a kvantált mennyiségek között. Akkoriban azonban nem létezett kvantumfizika.

A 20. század legelejéig nem létezett! Az olyan nagy fizikusok, mint Galilei, Descartes, Newton, Faraday, Young vagy Maxwell, soha nem hallottak kvantumfizikáról, és jól megvoltak nélküle is. Felmerülhet a kérdés: akkor miért találták ki a tudósok a kvantumfizikát? Mi történt különösebben a fizikában? Képzeld el, mi történt. Csak a fizikában egyáltalán nem, hanem a csillagászatban!

Titokzatos társ

1844-ben Friedrich Bessel német csillagász figyelte meg a legtöbbet fényes csillagéjszakai égboltunkról – Sirius. Ekkor már a csillagászok tudták, hogy égboltunk csillagai nem mozdulnak el – mozognak, csak nagyon-nagyon lassan. Ráadásul minden csillag fontos! - egyenes vonalban mozog. Így a Sirius megfigyelésekor kiderült, hogy egyáltalán nem egyenes vonalban mozog. Úgy tűnt, hogy a csillag először az egyik, majd a másik irányba „tántorog”. Sirius útja az égen olyan volt, mint egy kanyargós vonal, amelyet a matematikusok „szinuszhullámnak” neveznek.

A Sirius csillag és műholdja - Sirius B

Nyilvánvaló volt, hogy maga a csillag nem tud így mozogni. Ahhoz, hogy az egyenes vonalú mozgást szinuszos mozgássá alakítsuk, valamilyen „zavaró erőre” van szükség. Ezért Bessel azt javasolta, hogy egy nehéz műhold kering a Sirius körül – ez volt a legtermészetesebb és legésszerűbb magyarázat.

A számítások azonban azt mutatták, hogy ennek a műholdnak a tömegének megközelítőleg meg kell egyeznie a mi Napunk tömegével. Akkor miért nem látjuk ezt a műholdat a Földről? Sirius innen található Naprendszer nem messze - körülbelül két és fél parszek, és egy Nap méretű objektumnak nagyon jól láthatónak kell lennie...

Nehéz feladat volt. Egyes tudósok azt mondták, hogy ez a műhold egy hideg, lehűtött csillag - ezért teljesen fekete és láthatatlan bolygónkról. Mások azt mondták, hogy ez a műhold nem fekete, hanem átlátszó, ezért nem látjuk. A csillagászok a világ minden tájáról távcsövön keresztül nézték a Siriust, és megpróbálták „elkapni” a titokzatos láthatatlan műholdat, de úgy tűnt, kigúnyolja őket. Volt min meglepődni, tudod...

Kell egy csodateleszkóp!

Egy ilyen teleszkópon keresztül az emberek először látták meg a Szíriusz műholdat

A 19. század közepén a kiváló távcsőtervező, Alvin Clark az Egyesült Államokban élt és dolgozott. Első foglalkozása szerint művész volt, de véletlenül első osztályú mérnök, üvegkészítő és csillagász lett. Eddig még senki sem tudta felülmúlni csodálatos lencsés teleszkópjait! Alvin Clark egyik lencséje (76 centiméter átmérőjű) látható Szentpéterváron, a Pulkovo Obszervatórium Múzeumban...

Azonban elkanyarodunk. Így 1867-ben Alvin Clark új távcsövet épített - 47 centiméter átmérőjű lencsével; ez volt a legtöbb nagy távcső akkoriban az USA-ban. A titokzatos Siriust választották az első égitestnek, amelyet megfigyeltek a tesztek során. A csillagászok reményei pedig ragyogóan beigazolódtak – már az első éjszaka felfedezték a Bessel által megjósolt Szíriusz megfoghatatlan műholdat.

A serpenyőből a tűzre...

A Clark megfigyeléseiből származó adatok birtokában azonban a csillagászok nem sokáig örültek. Hiszen a számítások szerint a műhold tömegének megközelítőleg meg kell egyeznie Napunk tömegével (a Föld tömegének 333 000-szerese). De egy hatalmas fekete (vagy átlátszó) égitest helyett a csillagászok... egy apró fehér csillagot láttak! Ez a csillag nagyon forró volt (25 000 fok, a mi Napunk 5500 fokával összehasonlítva) és ugyanakkor kicsi (kozmikus mércével mérve), nem akkora több, mint a Föld(később az ilyen csillagokat „fehér törpéknek” nevezték). Kiderült, hogy ennek a csillagnak teljesen elképzelhetetlen sűrűsége van. Milyen anyagból áll akkor?!

A Földön ismerünk nagy sűrűségű anyagokat – mondjuk ólmot (egy centiméteres oldalú kocka ebből a fémből 11,3 grammot nyom) vagy aranyat (19,3 gramm köbcentiméterenként). A Szíriusz műhold (Sirius B-nek nevezték) anyagának sűrűsége a következő millió (!!!) gramm per köbcentiméter - 52 ezerszer nehezebb, mint az arany!

Vegyünk például egy közönséges gyufásdobozt. Térfogata 28 köbcentiméter. Ez azt jelenti, hogy a Sirius műhold anyagával megtöltött gyufásdoboz súlya... 28 tonna lesz! Képzeld el – a mérleg egyik oldalán egy gyufásdoboz van, a másikon egy tank!

Volt még egy probléma. A fizikában van egy törvény, amit Károly-törvénynek hívnak. Azt állítja, hogy ugyanabban a térfogatban egy anyag nyomása annál nagyobb, minél magasabb ennek az anyagnak a hőmérséklete. Ne feledje, hogy a forró gőz nyomása hogyan szakítja le a fedőt a forró vízforralókról – és azonnal megérti, miről beszélünk. Tehát a Sirius műhold anyagának hőmérséklete éppen ezt a Károlyi törvényt sértette meg a leggátlástalanabb módon! A nyomás elképzelhetetlen volt, a hőmérséklet pedig viszonylag alacsony. Az eredmény „rossz” fizikai törvények és általában „rossz” fizika lett. Mint Micimackó – „rossz méhek és rossz méz”.

A fejem teljesen felpörög...

A fizika „megmentése érdekében” a 20. század elején a tudósoknak el kellett ismerniük, hogy KÉT fizika létezik egyszerre a világon - egy „klasszikus”, amelyet kétezer éve ismertek. A második pedig szokatlan, kvantum . A tudósok felvetették, hogy a klasszikus fizika törvényei világunk hétköznapi, „makroszkópikus” szintjén működnek. De a legkisebb, „mikroszkópos” szinten az anyag és az energia teljesen más törvényeknek – kvantumoknak – engedelmeskedik.

Képzeld el a Föld bolygónkat. Jelenleg több mint 15 000 különböző mesterséges objektum kering körülötte, mindegyik a saját pályáján. Sőt, ez a pálya kívánság szerint megváltoztatható (javítható) - például az International pályája űrállomás(ISS). Ez egy makroszkopikus szint, itt működnek a klasszikus fizika törvényei (például Newton törvényei).

Most térjünk át a mikroszkopikus szintre. Képzeld el egy atom magját. Az elektronok keringenek körülötte, mint a műholdak – de nem lehet belőlük annyi, amennyit kívánunk (például egy hélium atomban legfeljebb kettő van). És az elektronok pályája többé nem önkényes lesz, hanem kvantált, „lépcsős”. A fizikusok az ilyen pályákat „megengedett energiaszinteknek” is nevezik. Az elektron nem tud „simán” mozogni egyik megengedett szintről a másikra, csak azonnal „ugrálhat” szintről szintre. Csak „ott” voltam, és azonnal „itt” találtam magam. Nem lehet valahol az „ott” és az „itt” között. Azonnal helyet változtat.

Csodálatos? Csodálatos! De ez még nem minden. A helyzet az, hogy a kvantumfizika törvényei szerint kettő azonos elektronok nem foglalhatják el ugyanazt az energiaszintet. Soha. A tudósok ezt a jelenséget „Pauli-kizárásnak” nevezik (még nem tudják megmagyarázni, hogy ez a „tilalom” miért van érvényben). Leginkább ez a „tilalom” hasonlít sakktábla, amelyet egy kvantumrendszer példájaként említettünk - ha a tábla egyik celláján van gyalog, akkor erre a cellára nem helyezhető másik mancs. Pontosan ugyanez történik az elektronokkal!

A probléma megoldása

Kérdezi, hogyan magyarázza meg a kvantumfizika az olyan szokatlan jelenségeket, mint a Károly-törvény megsértése a Sirius B-n belül? Itt van, hogyan.

Képzeljen el egy városi parkot, amelynek táncparkettje van. Sokan sétálnak az utcán, kijönnek a táncparkettre táncolni. Az utcán tartózkodók száma a nyomást, a diszkóban tartózkodók száma pedig a hőmérsékletet jelölje. Nagyon sok ember léphet be a táncparkettre - mint több ember sétál a parkban, minél többen táncolnak a táncparketten, vagyis minél nagyobb a nyomás, annál magasabb a hőmérséklet. Így működnek a klasszikus fizika törvényei – így Charles törvénye is. A tudósok ezt az anyagot „ideális gáznak” nevezik.

Az emberek a táncparketten „ideális gáz”

Mikroszkopikus szinten azonban a klasszikus fizika törvényei nem érvényesek. Ott kezdenek működni a kvantumtörvények, és ez gyökeresen megváltoztatja a helyzetet.

Képzeljük el, hogy a parkban a táncparkett helyén kávézót nyitottak. Mi a különbség? Igen, a helyzet az, hogy a diszkóval ellentétben „annyi ember, amennyit csak akar” nem lép be a kávézóba. Amint az asztaloknál az összes helyet elfoglalják, a biztonságiak nem engedik be az embereket. És amíg az egyik vendég le nem üríti az asztalt, addig a biztonságiak nem engednek be senkit! Egyre többen sétálnak a parkban – de a kávézóban a létszám változatlan. Kiderül, hogy a nyomás növekszik, de a hőmérséklet „mozdulatlanul áll”.

Emberek egy kávézóban – „kvantumgáz”

A Sirius B-ben természetesen nincsenek emberek, táncparkettek vagy kávézók. De az elv ugyanaz marad: az elektronok minden megengedettet kitöltenek energiaszintek(mint a látogatók - asztalok egy kávézóban), és többé nem "engedhetnek be senkit" - pontosan Pauli tilalmának megfelelően. Ennek eredményeként elképzelhetetlenül hatalmas nyomás keletkezik a csillag belsejében, de a hőmérséklet magas, de a csillagok számára teljesen hétköznapi. A fizikában egy ilyen anyagot „degenerált kvantumgáznak” neveznek.

Folytassuk?...

Rendellenesen nagy sűrűségű A fehér törpék messze nem az egyetlen olyan jelenség a fizikában, amely kvantumtörvények alkalmazását igényli. Ha ez a téma érdekel, a Luchik következő számaiban más, nem kevésbé érdekes kvantumjelenségekről is beszélhetünk. Ír! Egyelőre emlékezzünk a fő dologra:

1. Világunkban (Univerzumunkban) a klasszikus fizika törvényei makroszkopikus (azaz „nagy”) szinten működnek. Leírják a közönséges folyadékok és gázok tulajdonságait, a csillagok és bolygók mozgását és még sok mást. Ezt a fizikát tanulod (vagy tanulod) az iskolában.

2. A mikroszkopikus (azaz hihetetlenül kicsi, milliószor kisebb, mint a legkisebb baktérium) szinten azonban teljesen más törvények működnek - a kvantumfizika törvényei. Ezeket a törvényeket nagyon összetettnek írják le matematikai képletek, és nem tanulják őket az iskolában. Azonban csak a kvantumfizika teszi lehetővé az olyan csodálatos kozmikus objektumok szerkezetének viszonylag világos magyarázatát, mint a fehér törpék (mint a Sirius B), a neutroncsillagok, a fekete lyukak stb.

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

És a kvantumfizika is remek téma, hogy beszélgessünk okos emberekkel.

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 számunkra egyszerűen abszurdnak tűnik, 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 valószínűségelmélet szerint) van egy valószínűségi skálája, hogy egy vagy másik pozícióba kerüljön. Amikor pedig elfordulunk, majd újra elfordulunk, pontosan a valószínűségi skála szerint elkaphatjuk a részecskét bármely lehetséges pozíciójában.

A tanulmány szerint a részecskét benne keresték különböző helyeken, majd abbahagyta a figyelését, majd újra figyelte, ahogy a helyzete megváltozik. 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 objektum fokozatos (nagyon durván fogalmazva) egy teljesen más helyre való átmenetének koncepciója minden külső hatás nélkül.

Vagyis minden kezdődhet egy neutronnal, amely egy ponton ugyanabba a szinte nulla valószínűségbe esik, hogy teljesen más helyen van, és minél több neutron van egy másik helyen, annál nagyobb a valószínűsége.

Természetesen egy ilyen átmenet annyi évig tart, amennyit bolygónk még nem élt, de a kvantumfizika elmélete szerint a kvantumalagút megtörténik.

Olvassa el még:

Bizonyára sokszor hallottad a kvantumfizika és a kvantummechanika megmagyarázhatatlan rejtelmeiről. Törvényei lenyűgözik a misztikát, és még a fizikusok is elismerik, hogy nem értik őket teljesen. Egyrészt érdekes megérteni ezeket a törvényszerűségeket, másrészt viszont nincs idő többkötetes és összetett fizikális könyvek olvasására. Nagyon megértelek, mert én is szeretem a tudást és az igazság keresését, de sajnos nincs elég idő minden könyvre. Nem vagy egyedül, sok kíváncsi ember beírja a keresőbe: „kvantumfizika babáknak, kvantummechanika próbabábuknak, kvantumfizika kezdőknek, kvantummechanika kezdőknek, kvantumfizika alapjai, kvantummechanika alapjai, kvantumfizika gyerekeknek, mi a kvantummechanika". Ez a kiadvány pontosan neked szól.

Meg fogod érteni a kvantumfizika alapfogalmait és paradoxonjait. A cikkből megtudhatja:

• Mi a kvantumfizika és a kvantummechanika?
• Mi az interferencia?
• Mi az a Quantum Entanglement (vagy Quantum Teleportation for Dummies)? (lásd a cikket)
• Mi a Schrödinger macskája gondolatkísérlet? (lásd a cikket)

A kvantummechanika a kvantumfizika része.

Miért olyan nehéz megérteni ezeket a tudományokat? A válasz egyszerű: a kvantumfizika és a kvantummechanika (a kvantumfizika része) a mikrovilág törvényeit tanulmányozza. És ezek a törvények teljesen különböznek makrokozmoszunk törvényeitől. Ezért nehéz elképzelnünk, mi történik az elektronokkal és fotonokkal a mikrokozmoszban.

Példa a makro- és mikrovilág törvényei közötti különbségre: a mi makrovilágunkban, ha 2 dobozból egy labdát teszel, akkor az egyik üres lesz, a másikban labda lesz. De a mikrokozmoszban (ha golyó helyett atom van) egy atom egyszerre két dobozban is lehet. Ezt kísérletileg sokszor megerősítették. Nem nehéz erre felkapni a fejét? De a tényekkel nem lehet vitatkozni.

Még egy példa. Fényképeztél egy gyors, piros versenyautót, és a képen egy elmosódott vízszintes csíkot látsz, mintha az autó a tér több pontján helyezkedne el a fénykép készítésekor. Annak ellenére, amit a képen lát, még mindig biztos abban, hogy az autó volt egy adott helyen a térben. A mikrovilágban minden más. Az atommag körül forgó elektron valójában nem forog, hanem a gömb minden pontján egyszerre helyezkedik el az atommag körül. Mint egy lazán feltekert bolyhos gyapjúgolyó. Ezt a fogalmat a fizikában ún "elektronikus felhő" .

Rövid kirándulás a történelembe. A tudósok először akkor gondoltak a kvantumvilágra, amikor 1900-ban Max Planck német fizikus megpróbálta kideríteni, miért változtatják meg a fémek színét hevítéskor. Ő vezette be a kvantum fogalmát. Addig a tudósok úgy gondolták, hogy a fény folyamatosan terjed. Az első ember, aki komolyan vette Planck felfedezését, az akkor még ismeretlen Albert Einstein volt. Rájött, hogy a fény nem csak hullám. Néha úgy viselkedik, mint egy részecske. Einstein kapott Nóbel díj felfedezéséért, hogy a fényt részletekben, kvantumokban bocsátják ki. A fénykvantumot fotonnak nevezzük ( foton, Wikipédia) .

Hogy könnyebben megértsük a kvantumtörvényeket fizikusokÉs mechanika (Wikipédia), bizonyos értelemben elvonatkoztatnunk kell a klasszikus fizika számunkra ismerős törvényeitől. És képzeld el, hogy Alice-hez hasonlóan belemerültél a nyúlüregbe, a Csodaországba.

És itt van egy rajzfilm gyerekeknek és felnőtteknek. Leírja a kvantummechanika alapvető kísérletét 2 réssel és egy megfigyelővel. Csak 5 percig tart. Nézze meg, mielőtt belemerülünk a kvantumfizika alapvető kérdéseibe és fogalmaiba.

Kvantumfizika a próbababákhoz videó. A rajzfilmben figyeljen a megfigyelő „szemére”. Komoly rejtélysé vált a fizikusok számára.

Mi az interferencia?

A rajzfilm elején egy folyadék példáján mutatták be, hogyan viselkednek a hullámok – váltakozva sötét és világos jelenik meg a képernyőn egy hasított tányér mögött. függőleges csíkok. És abban az esetben, ha diszkrét részecskéket (például kavicsokat) „lövetnek” a lemezre, ezek 2 résen átrepülnek, és közvetlenül a hasításokkal szemben a képernyőn landolnak. És csak 2 függőleges csíkot „húznak” a képernyőre.

A fény interferencia- Ez a fény „hullámos” viselkedése, amikor a képernyőn sok váltakozó világos és sötét függőleges csík jelenik meg. Ezeket a függőleges csíkokat is interferenciamintának nevezzük.

Makrokozmoszunkban gyakran megfigyeljük, hogy a fény hullámként viselkedik. Ha a kezét egy gyertya elé helyezi, akkor a falon nem tiszta árnyék lesz a kezéből, hanem elmosódott kontúrokkal.

Szóval ez nem olyan bonyolult! Ma már teljesen világos számunkra, hogy a fénynek hullámtermészete van, és ha 2 rés van megvilágítva fénnyel, akkor a mögöttük lévő képernyőn interferenciamintát fogunk látni. Most nézzük a 2. kísérletet. Ez a híres Stern-Gerlach kísérlet (amelyet a múlt század 20-as éveiben végeztek).

A rajzfilmben leírt installációt nem fénnyel világították meg, hanem elektronokkal (egyedi részecskékként) „lelőtték”. Aztán a múlt század elején a fizikusok szerte a világon úgy vélték, hogy az elektronok az anyag elemi részecskéi, és nem hullámtermészetüknek kell lenniük, hanem ugyanolyannak kell lenniük, mint a kavicsoknak. Végül is az elektronok az anyag elemi részecskéi, nem? Vagyis ha 2 résbe „dobod” őket, mint a kavicsokat, akkor a rések mögötti képernyőn 2 függőleges csíkot kell látnunk.

De... Az eredmény lenyűgöző volt. A tudósok interferenciamintát láttak - sok függőleges csíkot. Vagyis az elektronoknak a fényhez hasonlóan hullámtermészetük is lehet, és interferálhatnak. Másrészt világossá vált, hogy a fény nemcsak hullám, hanem egy kis részecske is - foton (a történelmi információk a cikk elején megtudtuk, hogy Einstein Nobel-díjat kapott ezért a felfedezésért).

Talán emlékszel, az iskolában azt mondták nekünk a fizikából "hullám-részecske kettősség"? Ez azt jelenti, hogy mikor arról beszélünk a mikrovilág nagyon kicsi részecskéiről (atomokról, elektronokról) akkor Mind hullámok, mind részecskék

Ma te és én olyan okosak vagyunk, és megértjük, hogy a fent leírt két kísérlet – az elektronokkal való lövés és a rések megvilágítása fénnyel – ugyanaz. Mert a résekre kvantumrészecskéket lövünk. Ma már tudjuk, hogy a fény és az elektronok is kvantum természetűek, hogy egyszerre hullámok és részecskék. A 20. század elején ennek a kísérletnek az eredményei szenzációt jelentettek.

Figyelem! Most térjünk át egy finomabb kérdésre.

Fotonok (elektronok) áramlását világítjuk a réseinkre, és interferenciamintát (függőleges csíkokat) látunk a rések mögött a képernyőn. Tiszta. De kíváncsiak vagyunk arra, hogy az egyes elektronok hogyan repülnek át a résen.

Feltehetően az egyik elektron a bal oldali résbe repül, a másik a jobbba. Ekkor azonban 2 függőleges csíknak kell megjelennie a képernyőn közvetlenül a nyílásokkal szemben. Miért lép fel interferenciaminta? Talán az elektronok valamilyen módon kölcsönhatásba lépnek egymással már a képernyőn, miután átrepültek a réseken. Az eredmény pedig egy ilyen hullámminta. Hogyan tudjuk ezt nyomon követni?

Az elektronokat nem sugárban fogjuk dobni, hanem egyenként. Dobjuk, várjunk, dobjuk a következőt. Most, hogy az elektron egyedül repül, többé nem lesz képes kölcsönhatásba lépni a képernyőn lévő többi elektronnal. A dobás után minden elektront regisztrálunk a képernyőn. Egy-kettő persze nem fog tiszta képet „festeni” számunkra. De ha sokat küldünk belőlük egyenként a résekbe, észre fogjuk venni... ó iszonyat - megint „rajzoltak” egy interferencia hullámmintát!

Lassan kezdünk megőrülni. Végül is arra számítottunk, hogy a nyílásokkal szemben 2 függőleges csík lesz! Kiderült, hogy amikor egyenként fotonokat dobtunk, mindegyik mintegy 2 résen haladt át egyszerre, és interferált önmagával. Fantasztikus! Térjünk vissza a jelenség magyarázatához a következő részben.

Mi a spin és a szuperpozíció?

Most már tudjuk, mi az interferencia. Ez a mikrorészecskék - fotonok, elektronok, egyéb mikrorészecskék (az egyszerűség kedvéért nevezzük őket ezentúl fotonoknak) hullámviselkedése.

A kísérlet eredményeként, amikor 1 fotont 2 résbe dobtunk, rájöttünk, hogy úgy tűnik, hogy egyszerre két résen repül át. Egyébként hogyan magyarázhatjuk meg a képernyőn megjelenő interferenciamintát?

De hogyan képzelhetjük el, hogy egy foton egyszerre két résen repül át? 2 lehetőség van.

• 1. lehetőség: egy foton, mint egy hullám (mint a víz) „lebeg” egyszerre 2 résen
• 2. lehetőség: egy foton, mint egy részecske, egyszerre repül 2 pályán (nem is kettőn, hanem egyszerre)

Elvileg ezek az állítások egyenértékűek. Megérkeztünk az „útintegrálhoz”. Ez Richard Feynman kvantummechanika megfogalmazása.

Egyébként pontosan Richard Feynman van egy jól ismert kifejezés, hogy Bátran kijelenthetjük, hogy a kvantummechanikához senki sem ért

De ez a kifejezése a század elején működött. De most okosak vagyunk, és tudjuk, hogy a foton részecskeként és hullámként is viselkedhet. Hogy ő valami számunkra érthetetlen módon tud egyszerre 2 résen átrepülni. Ezért könnyű lesz megértenünk a kvantummechanika következő fontos megállapítását:

Szigorúan véve a kvantummechanika azt mondja nekünk, hogy ez a foton viselkedés a szabály, nem pedig a kivétel. Bármely kvantumrészecske általában több állapotban vagy a tér több pontján van egyszerre.

A makrovilág objektumai csak egy meghatározott helyen és egy meghatározott állapotban lehetnek. De a kvantumrészecske a saját törvényei szerint létezik. És még az sem érdekli, hogy nem értjük őket. Ez a lényeg.

Csak axiómaként el kell ismernünk, hogy egy kvantumobjektum „szuperpozíciója” azt jelenti, hogy egyszerre 2 vagy több pályán, 2 vagy több pontban lehet egyszerre.

Ugyanez vonatkozik egy másik fotonparaméterre – a spinre (saját impulzusimpulzusára). A spin egy vektor. A kvantumobjektumot mikroszkopikus mágnesnek tekinthetjük. Megszoktuk, hogy a mágnesvektor (spin) vagy felfelé vagy lefelé irányul. De az elektron vagy a foton ismét azt mondja nekünk: „Srácok, minket nem érdekel, hogy ti mit szoktatok, egyszerre lehetünk mindkét spinállapotban (vektor felfelé, vektor lefelé), mint ahogy 2 pályán lehetünk ugyanabban az időben vagy 2 ponton egyszerre!

Mi az a "mérés" vagy "hullámfunkció összeomlás"?

Már alig van hátra, hogy megértsük, mi a „mérés”, és mi a „hullámfüggvény összeomlása”.

Hullám funkció egy kvantumobjektum (fotonunk vagy elektronunk) állapotának leírása.

Tegyük fel, hogy van egy elektronunk, az magához repül határozatlan állapotban spinje egyszerre irányul fel és le. Fel kell mérnünk az állapotát.

Mérjük meg segítségével mágneses mező: azok az elektronok, amelyek spinje a mező irányába irányult, az egyik irányba, azok az elektronok pedig, amelyek spinje a mező ellen irányul, a másik irányba térülnek el. Egy polarizáló szűrőbe több fotont lehet irányítani. Ha a foton spinje (polarizációja) +1, akkor átmegy a szűrőn, de ha -1, akkor nem.

Állj meg! Itt elkerülhetetlenül felmerül egy kérdés: A mérés előtt az elektronnak nem volt konkrét forgásiránya, igaz? Egyszerre volt minden államban, nem?

Ez a kvantummechanika trükkje és szenzációja. Amíg nem méri egy kvantumobjektum állapotát, az bármilyen irányba el tud forogni (bármilyen iránya van a vektornak a saját szögimpulzusának - spin). De abban a pillanatban, amikor megmérted az állapotát, úgy tűnik, hogy döntést hoz, melyik spin vektort fogadja el.

Ez a kvantumobjektum annyira menő – döntéseket hoz az állapotáról.És nem tudjuk előre megjósolni, hogy milyen döntést hoz, amikor berepül abba a mágneses mezőbe, amelyben mérjük. 50-50% annak a valószínűsége, hogy úgy dönt, hogy „fel” vagy „le” forog. De amint úgy dönt, egy bizonyos állapotba kerül, meghatározott pörgési iránnyal. Döntésének oka a mi „dimenziónk”!

Ezt nevezik " a hullámfüggvény összeomlása". A mérés előtti hullámfüggvény bizonytalan volt, pl. az elektron spin vektor egyszerre volt minden irányban, a mérés után az elektron rögzítette a spin vektorának egy bizonyos irányát.

Figyelem! A megértésre kiváló példa a makrokozmoszunkból származó asszociáció:

Pörgess egy érmét az asztalon, mint egy forgólapot. Amíg az érme forog, nincs konkrét jelentése - fej vagy farok. De amint úgy dönt, hogy „megméri” ezt az értéket, és lecsapja az érmét a kezével, ekkor kapja meg az érme konkrét állapotát - fejek vagy farok. Most képzeld el, hogy ez az érme dönti el, melyik értéket „mutassa meg” – a fejet vagy a farkot. Az elektron megközelítőleg ugyanígy viselkedik.

Most emlékezzen a rajzfilm végén látható kísérletre. Amikor a fotonok áthaladtak a réseken, hullámként viselkedtek, és interferenciamintát mutattak a képernyőn. És amikor a tudósok fel akarták venni (megmérni) a résen átrepülő fotonok pillanatát, és a képernyő mögé „megfigyelőt” helyeztek, a fotonok nem hullámként, hanem részecskékként kezdtek viselkedni. És 2 függőleges csíkot „húztak” a képernyőre. Azok. a mérés vagy megfigyelés pillanatában a kvantumobjektumok maguk választják ki, hogy milyen állapotban legyenek.

Fantasztikus! Nem?

De ez még nem minden. Végül mi Elérkeztünk a legérdekesebb részhez.

De... számomra úgy tűnik, hogy túl sok információ lesz, ezért ezt a 2 fogalmat külön bejegyzésekben fogjuk megvizsgálni:

• Mi történt ?
• Mi az a gondolatkísérlet.

Most szeretné, hogy az információk rendezve legyenek? Tekintse meg a Kanadai Elméleti Fizikai Intézet által készített dokumentumfilmet. 20 perc alatt nagyon rövid és időrendben A kvantumfizika minden felfedezéséről mesélni fognak, Planck 1900-as felfedezésétől kezdve. És akkor elmondják, milyen gyakorlati fejlesztések zajlanak jelenleg a kvantumfizikai ismeretek alapján: a legpontosabban atomóra szupergyors kvantumszámítógépes számításokhoz. Nagyon ajánlom ennek a filmnek a megtekintését.

Találkozunk!

Mindenkinek kívánok ihletet minden tervéhez és projektjéhez!

Ui.2 Írja meg kérdéseit és gondolatait a megjegyzésekben. Írj, milyen kvantumfizikai kérdések érdekelnek még?

Ui.3. Iratkozz fel a blogra - a feliratkozási űrlap a cikk alatt található.

Autó visszaküldése garanciális vagy kvantumfizikai próbabábuknak.

Tegyük fel, hogy az év 3006. Elmész a „kapcsolt”-hoz, és 600 évre részletekben veszel egy olcsó kínai időgépet. Körülbelül egy héttel előre szeretne lopózni, hogy legyőzze a bukméker irodáját? Egy nagy jackpotra számítva kétségbeesetten beírod az érkezés dátumát a kék műanyag dobozba...

És itt a nevetés: benne a Nikadim-chronon konverter azonnal kiég. Az elhaló nyikorgást kibocsátó gép a 62342-es évszámba dob. Az emberiség hátsó sarkú, borotvált és távoli galaxisokba szóródott. A Napot eladták idegeneknek, a Földet óriási radioaktív szilíciumférgek uralják. A légkör fluor és klór keveréke. Hőmérséklet mínusz 180 fok. A talaj erodálódott, és körülbelül tizenöt méterről lezuhansz egy fluoritkristályokból álló sziklára. Utolsó kilégzéskor gyakorolja polgári galaktikus jogát egyetlen intertemporális hívásra a kulcstartón. Hívd fel a „kapcsolódó személy” műszaki támogatási központját, ahol egy udvarias robot közli, hogy az időgépre 100 év a garancia, és az ő idejében teljesen működőképes, és 62342-ben több millió fillért kaptál. kiejthetetlen az emberi beszéd mechanizmusa által, mert soha nem fizetik egyszeri részletben.

Áldd meg és mentsd meg! Uram, köszönjük, hogy ebben a megtizedelt medve múltban élünk, ahol ilyen esetek lehetetlenek!
...Bár ​​nem! Csak a legtöbb nagy tudományos felfedezések ne adjon olyan epikus eredményeket, mint ahogy azt a különféle tudományos-fantasztikus írók képzelik.

A lézerek nem égetnek városokat és bolygókat – információkat rögzítenek és továbbítanak, valamint szórakoztatják az iskolásokat. A nanotechnológia nem változtatja az univerzumot nanobotok önmagát replikáló hordává. Vízállóbbá teszik az esőkabátot, tartósabbá a betont. Atombomba, felrobbant a tengerben soha nem indított el láncreakciót a hidrogénatommagok termonukleáris fúziójából, és nem változtatott minket egy másik Nappal. A Hadronütköztető nem fordította ki a bolygót, és nem húzta fekete lyukba az egész világot. A mesterséges intelligenciát már létrehozták, de csak gúnyolódik az emberiség elpusztításának gondolatán.
Ez alól a Time Machine sem kivétel. A helyzet az, hogy a múlt század közepén hozták létre. Nem öncélnak készült, hanem csak egy kicsi, leírhatatlan, de nagyon figyelemre méltó eszköz létrehozásának eszközeként.

Egy időben Dmitrij Nyikolajevics Gracsev professzort nagyon zavarta az alkotás kérdése hatékony eszközök rádiósugárzás elleni védelem. Első pillantásra a feladat lehetetlennek tűnt - az eszköznek minden rádióhullámra sajátjával kellett reagálnia, ugyanakkor semmilyen módon nem kötődhet a jelforráshoz (mivel ellenséges volt). Dmitrij Nyikolajevics egyszer nézte a gyerekeket, akik „kidobólabdát” játszottak az udvaron. A leggyorsabb játékos nyeri meg a játékot, aki a leghatékonyabban kerüli ki a labdát. Ehhez koordinációra van szükség, és ami a legfontosabb, a labda röppályájának előrejelzésére.

Az előrejelzési képességet a számítási erőforrás határozza meg. De esetünkben a számítási erőforrások növelése nem vezet semmire. Ehhez még a legmodernebb szuperszámítógépeknek sem lesz elegendő sebessége és pontossága. Egy spontán folyamat előrejelzéséről beszéltünk egy mikrohullámú rádióhullám félciklusának sebességével.

A professzor felkapta a bokrokba repült labdát, és visszadobta a gyerekeknek. Miért jósolják meg, hová megy a labda, ha már megérkezett? Megoldás született: az ismeretlen bemeneti rádiójel jellemzői a közeljövőben jól ismertek, és egyszerűen nem kell kiszámítani őket. Elegendő közvetlenül ott megmérni őket. De itt van a probléma: még egy nanoszekundum erejéig sem lehet utazni az időben. Ez azonban nem volt szükséges az adott feladathoz. Csak az szükséges, hogy az eszköz érzékeny eleme - a tranzisztor - legalább részben a közeljövőben legyen. És itt a nemrég felfedezett kvantum-szuperpozíció jelensége jött a megmentésre. Jelentése az, hogy ugyanaz a részecske különböző helyen és időben lehet egy időben.

Ennek eredményeként Gracsev professzor egy tömegorientált kvantumot hozott létre elektroncsapda- egy valós idejű gép, amelyben először egy félvezető chipet hoztak létre, amelynek egyes elektronjai a jövőben és egyben a jelenben vannak. Ugyanennek a TMA-nak a prototípusa - egy chip, amely a Grachev-rezonátort vezérli. Mondhatni, ennek a dolognak a jövőben mindig az egyik lába lesz.

• Fordítás

Owen Maroney, az Oxfordi Egyetem fizikusa szerint a kvantumelmélet 1900-as évekbeli megjelenése óta mindenki az elmélet 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 elmondjuk a nyilvánosságnak, hogy a kvantumelmélet nagyon furcsa, akkor ezt az állítást kísérletileg kell tesztelnünk" - mondja Maroney. „Egyébként nem tudományt csinálunk, hanem a táblán mindenféle csilingelésről beszélünk.”

Ez az, ami arra késztette Maroney-t és kollégáit, hogy új kísérletsorozatot dolgozzanak ki a hullámfüggvény lényegének feltárására - titokzatos entitás, ami a kvantum furcsaságok hátterében áll. Papíron a hullámfüggvény egyszerűen egy matematikai objektum, amelyet a psi (Ψ) betűvel jelölnek (az egyik ilyen görbület), 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 utolsósorban azért, mert lehetővé tette két részecske számára, hogy összegabalyodjanak a hullámfüggvényeik, ami olyan helyzethez vezetett, amelyben az egyik mérése azonnal megadhatja a másik állapotát, még akkor is, ha hatalmas távolságok választják el őket egymástól. távolságok. 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 tartalmaz egy mintát radioaktív anyagból, amely 50%-os valószínűséggel bomlásterméket bocsát ki egy óra alatt, és egy gépet, amely megmérgezi a macskát, ha ezt a terméket észlelik. Mert a radioaktív bomlás– kvantumszintű esemény, írja Schrödinger, a kvantumelmélet szabályai szerint az óra végén a doboz belsejének hullámfüggvénye egy halott 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 a standard elmélet által megoldott nagyszámú kétértelmű helyzettel.

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 egy alternatív elméletet támaszt alá – ha létezik objektív valóság, akkor létezik a hullámfüggvény. „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 ezek a modellek is különböző változatok. 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.”

Forth és Caudier azóta kimutatta, hogy az ilyen hullámok képesek a részecskéiket egy kettős réses kísérletben pontosan úgy vezetni, ahogy azt a pilótahullám-elmélet megjósolja, és más kvantumhatásokat is képesek reprodukálni. 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 tesztelésének egyik módja a kvantumhatások keresése nagyméretű objektumokban. 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 alávetjük magunkat kvantum elmélet 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 akkoriban a New Jersey-i Princeton Egyetem hallgatója volt. 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. A kvantumvilág furcsa hatásai pedig azért jelennek meg, mert a részecskék és klónjaik között taszító erők vannak a párhuzamos univerzumokban. "A köztük lévő taszító erő hullámokat hoz létre, amelyek a párhuzamos világokban terjednek" - mondja Wiseman.

Egy számítógépes szimuláció segítségével, amelyben 41 univerzum lépett kölcsönhatásba, kimutatták, hogy a modell nagyjából reprodukál több kvantumhatást, beleértve a részecskék pályáit 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 nem objektív valóság, de csak számítások vannak.

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”.