Kvantinės fizikos pagrindai penkiuose manekenų eksperimentuose. Kaip sąmonė valdo materiją

Išgirdę žodžius „kvantinė fizika“, žmonės dažniausiai gūžteli pečiais: „Tai kažkas siaubingai sudėtingo“. Tuo tarpu tai visiškai netiesa, ir žodyje „kvantinis“ nėra visiškai nieko baisaus. Yra daug nesuprantamų dalykų, daug įdomių dalykų, bet nieko baisaus.

Apie knygų lentynos, kopėčios ir Ivanas Ivanovičius

Visus mus supančio pasaulio procesus, reiškinius ir kiekius galima suskirstyti į dvi grupes: nuolatinius (moksliškai kontinuumas ) ir nepertraukiamas (moksliškai diskretiškas arba kvantuota ).

Įsivaizduokite stalą, ant kurio galite padėti knygą. Knygą galite padėti bet kur ant stalo. Į dešinę, į kairę, į vidurį... Kur nori, ten dėk. Šiuo atveju fizikai teigia, kad knygos padėtis ant stalo pasikeičia nuolat .

Dabar įsivaizduokite knygų lentynas. Galite dėti knygą į pirmą lentyną, antrą, trečią ar ketvirtą – bet negalite padėti knygos „kažkur tarp trečios ir ketvirtos“. Tokiu atveju pasikeičia knygos padėtis su pertraukomis , diskretiškai , kvantuota (visi šie žodžiai reiškia tą patį).

Mus supantis pasaulis pilnas nuolatinių ir kvantuojamų kiekių. Čia yra dvi merginos - Katya ir Masha. Jų ūgis – 135 ir 136 centimetrai. Koks čia dydis? Aukštis nuolat kinta, jis gali būti 135 su puse centimetro arba 135 ir ketvirtadalio centimetrų. Tačiau mokyklos, kurioje mokosi mergaitės, skaičius yra išmatuotas dydis! Tarkime, Katya mokosi 135 mokykloje, o Maša - 136. Tačiau nė vienas iš jų negali mokytis mokykloje Nr. 135 su puse, tiesa?

Kitas kvantuotos sistemos pavyzdys yra šachmatų lenta. Šachmatų lentoje yra 64 langeliai ir kiekviena figūrėlė gali užimti tik vieną langelį. Ar galime pastatyti pėstininką kur nors tarp langelių arba vienu metu pastatyti du pėstininkus ant vienos ląstelės? Tiesą sakant, galime, bet pagal taisykles – ne.

Tęstinis nusileidimas

O štai čiuožykla žaidimų aikštelėje. Vaikai nuo jo čiuožia žemyn – nes čiuožyklos aukštis keičiasi sklandžiai, nuolat. Dabar įsivaizduokite, kad ši skaidrė staiga (banga stebuklinga lazdele!) virto laiptais. Nuriedėti nuo jos ant užpakalio nebeveiks. Turėsite vaikščioti kojomis – iš pradžių vieną žingsnį, paskui antrą, tada trečią. Dydis (aukštis) pasikeitė nuolat – bet pradėjo keistis žingsneliais, tai yra diskretiškai, kvantuota .

Kvantuotas nusileidimas

Patikrinkime!

1. Namo kaimynas Ivanas Ivanovičius nuėjo į gretimą kaimą ir pasakė: „Pailsėsiu kur nors pakeliui“.

2. Namo kaimynas Ivanas Ivanovičius nuėjo į gretimą kaimą ir pasakė: „Važiuosiu autobusu“.

Kurią iš šių dviejų situacijų („sistemų“) galima laikyti tęstinėmis, o kurias – kvantinėmis?

Atsakymas:

Pirmuoju atveju Ivanas Ivanovičius vaikšto ir gali sustoti pailsėti bet kurioje vietoje. Tai reiškia, kad ši sistema yra nuolatinė.

Antrajame Ivanas Ivanovičius gali įsėsti į autobusą, kuris atvažiuoja į stotelę. Jis gali jį praleisti ir laukti kito autobuso. Bet jis negalės sėdėti "kažkur tarp" autobusų. Tai reiškia, kad ši sistema yra kvantuota!

Kaltinkite astronomiją

Senovės graikai puikiai žinojo apie nuolatinių (nepertraukiamų) ir nenutrūkstamų (kvantuotų, nenutrūkstamų, diskrečių) dydžių egzistavimą. Archimedas savo knygoje Psammit (Smėlio grūdų skaičiavimas) netgi pirmą kartą bandė nustatyti matematinį ryšį tarp tolydų ir kvantuotų dydžių. Tačiau tuo metu kvantinės fizikos nebuvo.

Ji neegzistavo iki pat XX amžiaus pradžios! Tokie puikūs fizikai kaip Galilėjus, Dekartas, Niutonas, Faradėjus, Youngas ar Maksvelas niekada negirdėjo apie jokią kvantinę fiziką ir puikiai apsiėjo be jos. Galite paklausti: kodėl tada mokslininkai sugalvojo kvantinę fiziką? Kas ypatingo atsitiko fizikoje? Įsivaizduokite, kas atsitiko. Tik visai ne fizikoje, o astronomijoje!

Paslaptingas kompanionas

1844 metais daugiausiai stebėjo vokiečių astronomas Friedrichas Beselis ryški žvaigždė mūsų naktinio dangaus – Sirijus. Tuo metu astronomai jau žinojo, kad žvaigždės mūsų danguje nestovi – jos juda, tik labai labai lėtai. Be to, kiekviena žvaigždė yra svarbi! - juda tiesia linija. Taigi, stebint Sirijų, paaiškėjo, kad jis visai nejuda tiesia linija. Žvaigždė atrodė „stulbinanti“ iš pradžių viena kryptimi, paskui kita. Sirijaus kelias danguje buvo tarsi vingiuota linija, kurią matematikai vadina „sinuso banga“.

Žvaigždė Sirijus ir jos palydovas – Sirius B

Buvo aišku, kad pati žvaigždė taip judėti negali. Norint paversti judėjimą tiesia linija judesiu išilgai sinusinės bangos, reikia tam tikros „trukdančios jėgos“. Todėl Beselis pasiūlė, kad aplink Sirijų sukasi sunkus palydovas – tai buvo natūraliausias ir pagrįstiausias paaiškinimas.

Tačiau skaičiavimai parodė, kad šio palydovo masė turėtų būti maždaug tokia pati, kaip ir mūsų Saulės. Tada kodėl nematome šio palydovo iš Žemės? Sirius yra nuo saulės sistema netoli - kokie du su puse parseko, o Saulės dydžio objektas turėtų būti labai gerai matomas...

Tai buvo sunki užduotis. Kai kurie mokslininkai teigė, kad šis palydovas yra šalta, atvėsusi žvaigždė – todėl yra visiškai juoda ir nematoma iš mūsų planetos. Kiti sakė, kad šis palydovas ne juodas, o skaidrus, todėl jo ir nematome. Astronomai visame pasaulyje žiūrėjo į Sirijų per teleskopus ir bandė „pagauti“ paslaptingą nematomą palydovą, tačiau atrodė, kad tai iš jų šaiposi. Buvo kuo nustebinti, žinai...

Mums reikia stebuklingo teleskopo!

Per tokį teleskopą žmonės pirmą kartą pamatė Sirijaus palydovą

XIX amžiaus viduryje puikus teleskopų dizaineris Alvinas Clarkas gyveno ir dirbo Jungtinėse Valstijose. Iš pradžių jis buvo menininkas, bet atsitiktinai tapo pirmos klasės inžinieriumi, stiklininku ir astronomu. Iki šiol niekam nepavyko pranokti jo nuostabių objektyvų teleskopų! Vieną iš Alvino Clarko lęšių (76 centimetrų skersmens) galima pamatyti Sankt Peterburge, Pulkovo observatorijos muziejuje...

Tačiau mes nukrypstame. Taigi 1867 m. Alvinas Clarkas pastatė naują teleskopą - su 47 centimetrų skersmens objektyvu; tai buvo daugiausia didelis teleskopas tuo metu JAV. Paslaptingasis Sirijus buvo pasirinktas kaip pirmasis dangaus objektas, pastebėtas atliekant bandymus. Ir astronomų viltys puikiai pasiteisino – jau pirmąją naktį buvo aptiktas nepagaunamas Sirijaus palydovas, kurį numatė Beselis.

Iš keptuvės į ugnį...

Tačiau gavę duomenis iš Clarko stebėjimų, astronomai džiaugėsi neilgai. Juk pagal skaičiavimus palydovo masė turėtų būti maždaug tokia pati, kaip ir mūsų Saulės (333 000 kartų didesnė už Žemės masę). Tačiau vietoj didžiulio juodo (arba permatomo) dangaus kūno astronomai išvydo... mažytę baltą žvaigždę! Ši žvaigždė buvo labai karšta (25 000 laipsnių, palyginti su 5 500 laipsnių mūsų Saulės) ir tuo pat metu mažytė (pagal kosminius standartus), ne tokio dydžio. daugiau nei Žemė(vėliau tokios žvaigždės buvo vadinamos „baltaisiais nykštukais“). Paaiškėjo, kad šios žvaigždės tankis buvo visiškai neįsivaizduojamas. Iš kokios medžiagos ji tada susideda?!

Žemėje žinome didelio tankio medžiagas – tarkime, šviną (iš šio metalo pagamintas centimetro šono kubas sveria 11,3 gramo) arba auksą (19,3 gramo kubiniame centimetre). Sirijaus palydovo (jis buvo vadinamas „Sirijus B“) medžiagos tankis yra milijonas (!!!) gramų kubiniame centimetre – tai 52 tūkstančius kartų sunkesnis už auksą!

Paimkime, pavyzdžiui, įprastą degtukų dėžutę. Jo tūris yra 28 kubiniai centimetrai. Vadinasi, degtukų dėžutė, užpildyta palydovo „Sirius“ medžiaga, svers... 28 tonas! Pabandykite įsivaizduoti – vienoje svarstyklių pusėje yra degtukų dėžutė, o kitoje – bakas!

Buvo dar viena problema. Fizikoje yra dėsnis, vadinamas Charleso dėsniu. Jis teigia, kad tame pačiame tūryje medžiagos slėgis yra didesnis, tuo aukštesnė šios medžiagos temperatūra. Prisiminkite, kaip karštų garų slėgis nuplėšia verdančio virdulio dangtį – ir iškart suprasite, apie ką kalbame. Taigi, „Sirius“ palydovo medžiagos temperatūra patį nesąžiningiausiu būdu pažeidė šį Charleso įstatymą! Slėgis buvo neįsivaizduojamas, o temperatūra palyginti žema. Rezultatas buvo „klaidingi“ fiziniai dėsniai ir apskritai „neteisinga“ fizika. Kaip Mikė Pūkuotukas – „netinkamos bitės ir netinkamas medus“.

Mano galva visiškai sukasi...

Norėdami „išgelbėti“ fiziką, XX amžiaus pradžioje mokslininkai turėjo pripažinti, kad pasaulyje iš karto buvo DVI fizikos - viena „klasikinė“, žinoma jau du tūkstančius metų. O antrasis neįprastas, kvantinis . Mokslininkai teigia, kad klasikinės fizikos dėsniai veikia įprastame, „makroskopiniame“ mūsų pasaulio lygmenyje. Tačiau mažiausiame, „mikroskopiniame“ lygyje materija ir energija paklūsta visiškai skirtingiems dėsniams – kvantiniams.

Įsivaizduokite mūsų planetą Žemę. Dabar aplink jį sukasi daugiau nei 15 000 įvairių dirbtinių objektų, kiekvienas savo orbitoje. Be to, jei pageidaujama, šią orbitą galima pakeisti (pataisyti), pavyzdžiui, Internacionalo orbita kosminė stotis(TKS). Tai makroskopinis lygmuo, čia veikia klasikinės fizikos dėsniai (pavyzdžiui, Niutono dėsniai).

Dabar pereikime prie mikroskopinio lygio. Įsivaizduokite atomo branduolį. Elektronai sukasi aplink jį, kaip palydovai – bet jų negali būti tiek daug, kiek norisi (pavyzdžiui, helio atomas turi ne daugiau kaip du). Ir elektronų orbitos nebebus savavališkos, o kvantuotos, „pakopinės“. Fizikai tokias orbitas taip pat vadina „leistinais energijos lygiais“. Elektronas negali „tolygiai“ pereiti iš vieno leistino lygio į kitą, jis gali tik akimirksniu „peršokti“ iš vieno lygio į kitą. Tiesiog buvau „ten“ ir akimirksniu atsidūriau „čia“. Jis negali būti kažkur tarp „ten“ ir „čia“. Jis akimirksniu keičia vietą.

Nuostabu? Nuostabu! Bet tai dar ne viskas. Faktas yra tas, kad, remiantis kvantinės fizikos dėsniais, du identiški elektronai negali užimti to paties energijos lygio. Niekada. Mokslininkai šį reiškinį vadina „Pauli atskirtimi“ (kol kas negali paaiškinti, kodėl šis „draudimas“ galioja). Labiausiai šis „draudimas“ panašus į šachmatų lenta, kurį paminėjome kaip kvantinės sistemos pavyzdį – jei lentos langelyje yra pėstininkas, ant šios ląstelės negalima dėti kito pėstininko. Lygiai tas pats atsitinka ir su elektronais!

Problemos sprendimas

Klausiate, kaip kvantinė fizika paaiškina tokius neįprastus reiškinius kaip Charleso dėsnio pažeidimas Sirijaus B viduje? Štai kaip.

Įsivaizduokite miesto parką, kuriame yra šokių aikštelė. Gatvėje vaikšto daug žmonių, jie ateina į šokių aikštelę pašokti. Tegul žmonių skaičius gatvėje parodo slėgį, o žmonių skaičius diskotekoje – temperatūrą. Į šokių aikštelę gali patekti daugybė žmonių - nei daugiau žmonių pasivaikščiojimų parke, kuo daugiau žmonių šoka šokių aikštelėje, tai yra, kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė temperatūra. Taip veikia klasikinės fizikos dėsniai, įskaitant Charleso dėsnį. Mokslininkai šią medžiagą vadina „idealiomis dujomis“.

Žmonės šokių aikštelėje yra „idealios dujos“

Tačiau mikroskopiniame lygmenyje klasikinės fizikos dėsniai negalioja. Ten pradeda veikti kvantiniai dėsniai, ir tai kardinaliai pakeičia situaciją.

Įsivaizduokime, kad parke vietoje šokių aikštelės buvo atidaryta kavinė. Koks skirtumas? Taip, faktas yra tas, kad, skirtingai nei diskotekoje, į kavinę neįeis „kiek nori žmonių“. Kai tik visos vietos prie staliukų bus užimtos, apsauga nebeleis žmonių į vidų. Ir kol vienas iš svečių neatlaisvins staliuko, apsauga nieko neįleis! Parke vaikšto vis daugiau žmonių – tačiau žmonių skaičius kavinėje išlieka toks pat. Pasirodo, slėgis didėja, bet temperatūra „stovi vietoje“.

Žmonės kavinėje – „kvantinės dujos“

Žinoma, Sirius B viduje nėra žmonių, šokių aikštelių ar kavinių. Tačiau principas išlieka tas pats: elektronai užpildo visus leistinus energijos lygiai(kaip ir lankytojai - staliukai kavinėje), ir jie nebegali nieko „įleisti“ – tiksliai pagal Paulio draudimą. Dėl to žvaigždės viduje susidaro neįsivaizduojamai didžiulis slėgis, tačiau temperatūra aukšta, bet gana įprasta žvaigždėms. Fizikoje tokia medžiaga vadinama „išsigimusiomis kvantinėmis dujomis“.

Tęsiame?..

Nenormaliai didelio tankio baltieji nykštukai toli gražu nėra vienintelis fizikos reiškinys, reikalaujantis naudoti kvantinius dėsnius. Jei ši tema jus domina, kituose „Lučiko“ numeriuose galime kalbėti apie kitus, ne mažiau įdomius, kvantinius reiškinius. Rašyk! Kol kas prisiminkime pagrindinį dalyką:

1. Mūsų pasaulyje (Visatoje) klasikinės fizikos dėsniai veikia makroskopiniu (t.y. „didelio“) lygmeniu. Juose aprašomos įprastų skysčių ir dujų savybės, žvaigždžių ir planetų judėjimas ir daug daugiau. Tai yra fizika, kurią mokysitės (arba mokysitės) mokykloje.

2. Tačiau mikroskopiniame (tai yra neįtikėtinai mažame, milijonus kartų mažesniame už mažiausias bakterijas) lygmenyje veikia visiškai kiti dėsniai – kvantinės fizikos dėsniai. Šie dėsniai apibūdinami kaip labai sudėtingi matematines formules, ir jie nėra mokomi mokykloje. Tačiau tik kvantinė fizika leidžia gana aiškiai paaiškinti tokių nuostabių kosminių objektų, kaip baltosios nykštukės (kaip Sirijus B), neutroninės žvaigždės, juodosios skylės ir pan., struktūrą.

Daugeliui žmonių fizika atrodo tokia tolima ir paini, o kvantinė fizika dar labiau. Bet aš noriu jums atverti šios didžiulės paslapties šydą, nes iš tikrųjų viskas pasirodo keista, bet atskleidžiama.

Be to, kvantinė fizika yra puikus dalykas, apie kurį galima kalbėtis su protingais žmonėmis.

Kvantinė fizika tapo lengva

Pirmiausia turite nupiešti vieną savo galvoje didelė linija tarp mikropasaulio ir makropasaulio, nes šie pasauliai yra visiškai skirtingi. Viskas, ką žinote apie jums pažįstamą erdvę ir joje esančius objektus, yra klaidinga ir nepriimtina kvantinėje fizikoje.

Tiesą sakant, mikrodalelės neturi nei greičio, nei konkrečios padėties, kol mokslininkai jų nežiūri. Šis teiginys mums atrodo tiesiog absurdiškas, taip atrodė Albertui Einšteinui, bet netgi puikus fizikas atsitraukė.

Faktas yra tas, kad tyrimais įrodyta, kad jei vieną kartą pažvelgsite į tam tikrą vietą užėmusią dalelę, o paskui nusisuksite ir vėl pažiūrėsite, pamatysite, kad ši dalelė jau užėmė visiškai kitokią padėtį.

Šios neklaužados dalelės

Viskas atrodo paprasta, bet kai žiūrime į tą pačią dalelę, ji stovi vietoje. Tai yra, šios dalelės juda tik tada, kai mes to nematome.

Esmė ta, kad kiekviena dalelė (pagal tikimybių teoriją) turi tikimybių skalę būti vienoje ar kitoje padėtyje. O kai nusisukame, o paskui vėl pasisukame, dalelę galime sugauti bet kurioje iš galimų jos pozicijų tiksliai pagal tikimybių skalę.

Remiantis tyrimu, dalelė buvo ieškoma skirtingos vietos, tada nustojo ją žiūrėti, o tada dar kartą stebėjo, kaip pasikeitė jos padėtis. Rezultatas buvo tiesiog stulbinantis. Apibendrinant, mokslininkai tikrai sugebėjo sukurti tikimybių skalę, kur gali būti ta ar kita dalelė.

Pavyzdžiui, neutronas turi galimybę būti trijose padėtyse. Atlikę tyrimą galite pastebėti, kad pirmoje pozicijoje tai bus su 15% tikimybe, antroje - 60%, trečioje - 25%.

Šios teorijos niekam dar nepavyko paneigti, todėl, kaip bebūtų keista, ji pati teisingiausia.

Makropasaulis ir mikropasaulis

Jei paimtume objektą iš makrokosmoso, pamatytume, kad jis taip pat turi tikimybių skalę, tačiau ji yra visiškai kitokia. Pavyzdžiui, tikimybė, kad nusigręžiate ir savo telefoną rasite kitoje pasaulio pusėje, yra beveik nulinė, tačiau ji vis tiek egzistuoja.

Tada kyla klausimas: kaip tokie atvejai dar nebuvo užfiksuoti? Tai paaiškinama tuo, kad tikimybė tokia maža, kad žmonijai tektų laukti tiek metų, kiek mūsų planeta ir visa visata dar negyveno, kad pamatytų tokį įvykį. Pasirodo, beveik 100% tikimybė, kad jūsų telefonas atsidurs būtent ten, kur jį matėte.

Kvantinis tunelis

Iš čia galime prieiti prie kvantinio tuneliavimo koncepcijos. Tai vieno objekto laipsniško perėjimo (labai grubiai tariant) į visiškai kitą vietą be jokios išorinės įtakos koncepcija.

Tai yra, viskas gali prasidėti nuo vieno neutrono, kuris vienu metu patenka į tą pačią beveik nulinę tikimybę atsidurti visiškai kitoje vietoje, ir kuo daugiau neutronų yra kitoje vietoje, tuo didesnė tikimybė.

Žinoma, toks perėjimas užtruks tiek metų, kiek mūsų planeta dar negyveno, tačiau, remiantis kvantinės fizikos teorija, kvantinis tuneliavimas vyksta.

Taip pat skaitykite:

Tikriausiai ne kartą girdėjote apie nepaaiškinamas kvantinės fizikos ir kvantinės mechanikos paslaptis. Jos dėsniai žavi mistika, net patys fizikai prisipažįsta, kad iki galo jų nesupranta. Viena vertus, įdomu suprasti šiuos dėsnius, bet, kita vertus, nėra laiko skaityti daugiatomes ir sudėtingas fizikos knygas. Aš tave labai suprantu, nes man taip pat patinka žinios ir tiesos ieškojimas, bet visoms knygoms laiko labai neužtenka. Jūs nesate vieni, daug smalsuolių įveda paieškos juostoje: „kvantinė fizika manekenams, kvantinė mechanika manekenams, kvantinė fizika pradedantiesiems, kvantinė mechanika pradedantiesiems, kvantinės fizikos pagrindai, kvantinės mechanikos pagrindai, kvantinė fizika vaikams, kas yra kvantinė mechanika“. Šis leidinys kaip tik jums.

Suprasite pagrindines kvantinės fizikos sąvokas ir paradoksus. Iš straipsnio sužinosite:

• Kas yra kvantinė fizika ir kvantinė mechanika?
• Kas yra trukdžiai?
• Kas yra kvantinis įsipainiojimas (arba kvantinė teleportacija manekenams)? (žr. straipsnį)
• Kas yra Šriodingerio katės minties eksperimentas? (žr. straipsnį)

Kvantinė mechanika yra kvantinės fizikos dalis.

Kodėl taip sunku suprasti šiuos mokslus? Atsakymas paprastas: kvantinė fizika ir kvantinė mechanika (kvantinės fizikos dalis) tiria mikropasaulio dėsnius. Ir šie dėsniai visiškai skiriasi nuo mūsų makrokosmoso dėsnių. Todėl mums sunku įsivaizduoti, kas vyksta su elektronais ir fotonais mikrokosmose.

Makro- ir mikropasaulio dėsnių skirtumo pavyzdys: mūsų makropasaulyje įdėjus kamuolį į vieną iš 2 dėžių, viena iš jų bus tuščia, o kita turės kamuolį. Tačiau mikrokosmose (jei vietoje rutulio yra atomas) atomas vienu metu gali būti dviejose dėžėse. Tai daug kartų buvo patvirtinta eksperimentiškai. Ar nesunku tai apsukti galvą? Bet jūs negalite ginčytis su faktais.

Dar vienas pavyzdys. Nufotografavote greitą lenktyninį raudoną sportinį automobilį ir nuotraukoje matėte neryškią horizontalią juostelę, tarsi automobilis nuotraukos darymo metu būtų stovėjęs keliuose erdvės taškuose. Nepaisant to, ką matote nuotraukoje, vis tiek esate tikri, kad automobilis buvo vienoje konkrečioje erdvės vietoje. Mikropasaulyje viskas yra kitaip. Aplink atomo branduolį besisukantis elektronas iš tikrųjų nesisuka, o yra vienu metu visuose sferos taškuose aplink atomo branduolį. Kaip laisvai suvyniotas pūkuotos vilnos kamuolys. Ši sąvoka fizikoje vadinama "elektroninis debesis" .

Trumpa ekskursijaį istoriją. Mokslininkai pirmą kartą pagalvojo apie kvantinį pasaulį, kai 1900 m. vokiečių fizikas Maxas Planckas bandė išsiaiškinti, kodėl kaitinant metalai keičia spalvą. Būtent jis pristatė kvanto sąvoką. Iki tol mokslininkai manė, kad šviesa keliauja nuolat. Pirmasis žmogus, rimtai įvertinęs Plancko atradimą, buvo tuomet dar nežinomas Albertas Einšteinas. Jis suprato, kad šviesa nėra tik banga. Kartais jis elgiasi kaip dalelė. Einšteinas gavo Nobelio premija už jo atradimą, kad šviesa skleidžiama dalimis, kvantais. Šviesos kvantas vadinamas fotonu ( fotonas, Vikipedija) .

Kad būtų lengviau suprasti kvantinius dėsnius fizikai Ir mechanika (Wikipedia), tam tikra prasme turime abstrahuotis nuo mums žinomų klasikinės fizikos dėsnių. Ir įsivaizduokite, kad jūs, kaip Alisa, nėrėte į triušio duobę, į Stebuklų šalį.

O štai animacinis filmas vaikams ir suaugusiems. Aprašomas pagrindinis kvantinės mechanikos eksperimentas su 2 plyšiais ir stebėtoju. Trunka tik 5 minutes. Pažiūrėkite jį prieš pasinerdami į pagrindinius kvantinės fizikos klausimus ir sąvokas.

Kvantinė fizika manekenams vaizdo įrašas. Animaciniame filme atkreipkite dėmesį į stebėtojo „akį“. Fizikams tai tapo rimta paslaptimi.

Kas yra trukdžiai?

Animacinio filmo pradžioje naudojant skysčio pavyzdį buvo parodyta, kaip elgiasi bangos – ekrane už lėkštės su plyšeliais atsiranda tamsa ir šviesa. vertikalios juostos. O tuo atveju, kai į plokštelę „šaunamos“ atskiros dalelės (pavyzdžiui, akmenukai), jos praskrenda per 2 plyšius ir patenka į ekraną tiesiai priešais plyšius. Ir jie ekrane „nubrėžia“ tik 2 vertikalias juosteles.

Šviesos trukdžiai- Tai yra šviesos „bangos“ elgesys, kai ekrane rodoma daug ryškių ir tamsių vertikalių juostelių. Taip pat šios vertikalios juostelės vadinamas trukdžių modeliu.

Savo makrokosme dažnai pastebime, kad šviesa elgiasi kaip banga. Jei padėsite ranką prieš žvakę, ant sienos bus ne aiškus šešėlis nuo jūsų rankos, o su neryškiais kontūrais.

Taigi, viskas nėra taip sudėtinga! Dabar mums visiškai aišku, kad šviesa turi banginį pobūdį ir jei 2 plyšiai bus apšviesti šviesa, tada ekrane už jų pamatysime interferencijos modelį. Dabar pažvelkime į antrąjį eksperimentą. Tai garsusis Stern-Gerlach eksperimentas (kuris buvo atliktas praėjusio amžiaus 20-aisiais).

Animaciniame filme aprašyta instaliacija buvo ne apšviesta šviesa, o „iššauta“ elektronais (kaip atskiromis dalelėmis). Tada, praėjusio amžiaus pradžioje, viso pasaulio fizikai manė, kad elektronai yra elementarios medžiagos dalelės ir turi būti ne banginės, o tokios pat kaip akmenukai. Juk elektronai yra elementarios materijos dalelės, tiesa? Tai yra, jei juos „išmesite“ į 2 plyšius, kaip akmenukus, tada ekrane už plyšių turėtume matyti 2 vertikalias juosteles.

Bet... Rezultatas buvo stulbinantis. Mokslininkai pamatė trukdžių modelį – daug vertikalių juostelių. Tai yra, elektronai, kaip ir šviesa, taip pat gali turėti banginį pobūdį ir gali trukdyti. Kita vertus, paaiškėjo, kad šviesa yra ne tik banga, bet ir maža dalelė – fotonas (nuo istorinę informaciją straipsnio pradžioje sužinojome, kad už šį atradimą Einšteinas gavo Nobelio premiją).

Gal pamenate, mokykloje mums fizikoje buvo pasakojama apie "bangų ir dalelių dvilypumas"? Tai reiškia, kad kada mes kalbame apie apie labai mažas mikropasaulio daleles (atomus, elektronus), tada Jie yra ir bangos, ir dalelės

Šiandien jūs ir aš esame tokie protingi ir suprantame, kad 2 aukščiau aprašyti eksperimentai – šaudymas elektronais ir plyšių apšvietimas šviesa – yra tas pats dalykas. Nes į plyšius šaudome kvantines daleles. Dabar žinome, kad tiek šviesa, tiek elektronai yra kvantinės prigimties, kad jie yra ir bangos, ir dalelės tuo pačiu metu. O XX amžiaus pradžioje šio eksperimento rezultatai buvo sensacija.

Dėmesio! Dabar pereikime prie subtilesnio klausimo.

Mes apšviečiame fotonų (elektronų) srautą ant savo plyšių ir ekrane matome trukdžių modelį (vertikalias juosteles) už plyšių. Aišku. Tačiau mums įdomu pamatyti, kaip kiekvienas elektronas skrenda per plyšį.

Manoma, kad vienas elektronas skrenda į kairįjį plyšį, o kitas į dešinę. Bet tada ekrane turėtų atsirasti 2 vertikalios juostelės, esančios tiesiai priešais lizdus. Kodėl atsiranda trukdžių modelis? Galbūt elektronai kažkaip sąveikauja tarpusavyje jau ekrane, praskrieję pro plyšius. Ir rezultatas yra toks bangų modelis. Kaip galime tai sekti?

Elektronus messime ne į spindulį, o po vieną. Tai mesti, palaukti, mesti kitą. Dabar, kai elektronas skraido vienas, jis nebegalės sąveikauti su kitais elektronais ekrane. Kiekvieną elektroną įrašysime ekrane po metimo. Vienas ar du, aišku, mums aiškaus paveikslo „nepieš“. Bet kai po vieną į plyšius siunčiame daug jų, pastebėsime... o siaube - jie vėl „nupiešė“ interferencinės bangos raštą!

Mes pamažu pradedame išprotėti. Juk tikėjomės, kad priešais lizdus bus 2 vertikalios juostos! Pasirodo, kai mes mėtėme fotonus po vieną, kiekvienas iš jų vienu metu tarsi per 2 plyšius praėjo ir trukdė sau. Fantastinis! Grįžkime prie šio reiškinio paaiškinimo kitame skyriuje.

Kas yra sukimas ir superpozicija?

Dabar žinome, kas yra trukdžiai. Tai yra mikrodalelių – fotonų, elektronų, kitų mikrodalelių (paprastumo dėlei nuo šiol pavadinkime jas fotonais) banginis elgesys.

Eksperimento rezultate, kai įmetėme 1 fotoną į 2 plyšius, supratome, kad jis tarsi skrenda per du plyšius vienu metu. Priešingu atveju, kaip galėtume paaiškinti trikdžių modelį ekrane?

Bet kaip galime įsivaizduoti fotoną, skrendantį per du plyšius tuo pačiu metu? Yra 2 variantai.

• 1 variantas: fotonas, kaip banga (kaip vanduo) "plaukia" per 2 plyšius vienu metu
• 2 variantas: fotonas, kaip dalelė, vienu metu skrenda 2 trajektorijomis (net ne dviem, o visomis iš karto)

Iš esmės šie teiginiai yra lygiaverčiai. Priėjome „kelio integralą“. Tai Richardo Feynmano kvantinės mechanikos formuluotė.

Beje, tiksliai Richardas Feynmanas yra gerai žinomas posakis Galime drąsiai teigti, kad niekas nesupranta kvantinės mechanikos

Tačiau ši jo išraiška veikė amžiaus pradžioje. Tačiau dabar esame protingi ir žinome, kad fotonas gali elgtis ir kaip dalelė, ir kaip banga. Kad jis gali kažkokiu mums nesuprantamu būdu vienu metu praskristi per 2 plyšius. Todėl mums bus lengva suprasti šį svarbų kvantinės mechanikos teiginį:

Griežtai kalbant, kvantinė mechanika mums sako, kad toks fotonų elgesys yra taisyklė, o ne išimtis. Bet kuri kvantinė dalelė, kaip taisyklė, yra keliose būsenose arba keliuose erdvės taškuose vienu metu.

Makropasaulio objektai gali būti tik vienoje konkrečioje vietoje ir vienoje konkrečioje būsenoje. Tačiau kvantinė dalelė egzistuoja pagal savo dėsnius. Ir jai net nerūpi, kad mes jų nesuprantame. Tai yra esmė.

Tiesiog turime pripažinti, kaip aksioma, kad kvantinio objekto „superpozicija“ reiškia, kad jis gali būti 2 ar daugiau trajektorijų vienu metu, 2 ar daugiau taškų vienu metu.

Tas pats pasakytina ir apie kitą fotono parametrą – sukimąsi (savo kampinį momentą). Sukas yra vektorius. Kvantinis objektas gali būti laikomas mikroskopiniu magnetu. Esame pripratę prie to, kad magneto vektorius (sukimas) yra nukreiptas aukštyn arba žemyn. Bet elektronas arba fotonas vėl mums sako: „Vaikinai, mums nerūpi, prie ko esate įpratę, mes galime būti abiejose sukimosi būsenose vienu metu (vektorius aukštyn, vektorius žemyn), lygiai taip pat, kaip galime eiti 2 trajektorijomis tuo pačiu metu arba 2 taškais tuo pačiu metu!

Kas yra „matavimas“ arba „bangos funkcijos žlugimas“?

Mums liko nedaug, kad suprastume, kas yra „matavimas“, o kas yra „bangų funkcijos žlugimas“.

Bangos funkcija yra kvantinio objekto (mūsų fotono arba elektrono) būsenos aprašymas.

Tarkime, kad turime elektroną, jis skrenda į save neapibrėžtoje būsenoje jo sukimasis yra nukreiptas ir aukštyn, ir žemyn tuo pačiu metu. Turime išmatuoti jo būklę.

Išmatuojame naudodami magnetinis laukas: elektronai, kurių sukinys buvo nukreiptas lauko kryptimi, bus nukreiptas viena kryptimi, o elektronai, kurių sukinys buvo nukreiptas prieš lauką – kita. Į poliarizacinį filtrą galima nukreipti daugiau fotonų. Jei fotono sukinys (poliarizacija) yra +1, jis praeina pro filtrą, o jei -1, tai ne.

Sustabdyti! Čia jums neišvengiamai iškils klausimas: Prieš matavimą elektronas neturėjo jokios konkrečios sukimosi krypties, tiesa? Jis buvo visose valstijose vienu metu, ar ne?

Tai yra kvantinės mechanikos triukas ir pojūtis. Kol nematuojate kvantinio objekto būsenos, jis gali suktis bet kuria kryptimi (turėti bet kurią savo kampinio momento vektoriaus kryptį – sukimąsi). Tačiau tuo metu, kai išmatavote jo būseną, atrodo, kad jis priima sprendimą, kurį sukimosi vektorių priimti.

Šis kvantinis objektas yra toks šaunus – jis priima sprendimus dėl savo būsenos. Ir negalime iš anksto numatyti, kokį sprendimą jis priims, kai įskris į magnetinį lauką, kuriame mes jį matuojame. Tikimybė, kad jis nuspręs turėti sukimosi vektorių „aukštyn“ arba „žemyn“, yra 50–50%. Tačiau kai tik jis nusprendžia, jis yra tam tikroje būsenoje su konkrečia sukimosi kryptimi. Jo sprendimo priežastis yra mūsų „matmenys“!

Tai vadinama " bangos funkcijos žlugimas“. Bangos funkcija prieš matavimą buvo neapibrėžta, t.y. elektronų sukimosi vektorius po matavimo buvo vienu metu visomis kryptimis, elektronas užfiksavo tam tikrą savo sukimosi vektoriaus kryptį.

Dėmesio! Puikus supratimo pavyzdys yra asociacija iš mūsų makrokosmoso:

Sukite monetą ant stalo kaip suktuką. Kol moneta sukasi, ji neturi konkrečios reikšmės – galvos ar uodegos. Tačiau kai tik nusprendžiate „išmatuoti“ šią vertę ir trenkiate moneta ranka, tada ir matote konkrečią monetos būseną – galvutes ar uodegas. Dabar įsivaizduokite, kad ši moneta nusprendžia, kurią vertę jums „rodyti“ – galvas ar uodegas. Elektronas elgiasi maždaug taip pat.

Dabar prisiminkite eksperimentą, parodytą animacinio filmo pabaigoje. Kai fotonai buvo praleisti pro plyšius, jie elgėsi kaip banga ir ekrane rodė trukdžių modelį. O kai mokslininkai norėjo užfiksuoti (išmatuoti) pro plyšį praskriejančių fotonų momentą ir už ekrano pastatė „stebėtoją“, fotonai pradėjo elgtis ne kaip bangos, o kaip dalelės. Ir jie ekrane „nupiešė“ 2 vertikalias juosteles. Tie. matavimo ar stebėjimo momentu kvantiniai objektai patys pasirenka, kokioje būsenoje jie turi būti.

Fantastinis! Ar ne taip?

Bet tai dar ne viskas. Pagaliau mes Priėjome įdomiausią dalį.

Bet... man atrodo, kad bus informacijos perteklius, todėl šias 2 sąvokas panagrinėsime atskiruose įrašuose:

• Kas nutiko ?
• Kas yra minties eksperimentas?

Dabar ar norite, kad informacija būtų sutvarkyta? Žiūrėkite Kanados teorinės fizikos instituto sukurtą dokumentinį filmą. Per 20 minučių labai trumpai ir chronologinė tvarka Jums bus papasakota apie visus kvantinės fizikos atradimus, pradedant Plancko atradimu 1900 m. Ir tada jie jums pasakys, kokie praktiniai pokyčiai šiuo metu vykdomi remiantis kvantinės fizikos žiniomis: nuo pačių tiksliausių atominis laikrodis ypač greitiems kvantiniams kompiuteriniams skaičiavimams. Labai rekomenduoju pažiūrėti šį filmą.

Iki!

Linkiu visiems įkvėpimo visiems jų planams ir projektams!

P.S.2 Savo klausimus ir mintis rašykite komentaruose. Parašyk, kokie dar kvantinės fizikos klausimai tave domina?

P.S.3 Prenumeruokite tinklaraštį – prenumeratos forma yra po straipsniu.

Automobilio grąžinimas pagal garantiją arba kvantinės fizikos manekenams.

Tarkime, kad metai yra 3006 m. Einate į „prijungtą“ ir išsimokėtinai perkate biudžetinę kinišką laiko mašiną 600 metų. Ar norite sėlinti maždaug savaitę į priekį, kad pranoktumėte lažybų tarpininko biurą? Tikėdamasis didelio aukso puodo, įnirtingai įvedate atvykimo datą ant mėlynos plastikinės dėžutės...

Ir štai juokas: jame Nikadim-chronon keitiklis iš karto perdega. Mašina, skleidžianti mirštantį girgždėjimą, nuveda jus į 62342 metus. Žmonija buvo suskirstyta į nugarą turinčias ir nusiskutusias bei išsibarsčiusias tolimas galaktikas. Saulė parduota ateiviams, Žemę valdo milžiniški radioaktyvūs silicio kirminai. Atmosfera yra fluoro ir chloro mišinys. Temperatūra minus 180 laipsnių. Žemė išardyta, o jūs taip pat nukrentate ant fluorito kristalų skardžio iš maždaug penkiolikos metrų. Paskutinio iškvėpimo metu pasinaudojate savo civiline galaktikos teise vienu tarplaikiniu skambučiu ant rakto pakabuko. Paskambinkite į „prisijungusio žmogaus“ techninės pagalbos centrą, kur mandagus robotas pasako, kad laiko mašinai garantija yra 100 metų ir savo laiku ji yra visiškai tvarkinga, o 62342 gavote milijonų centų sumą. neištariamas žmogaus kalbos mechanizmo, nes niekada nemokėjo dalimis.

Palaimink ir gelbėk! Viešpatie, ačiū tau, kad gyvename šioje nyktoje meškų praeityje, kur tokie incidentai neįmanomi!
...Nors, ne! Tik dauguma didžiųjų mokslo atradimai neduoda tokių epiškų rezultatų, kaip įsivaizduoja įvairūs mokslinės fantastikos rašytojai.

Lazeriai nedegina miestų ir planetų – jie fiksuoja ir perduoda informaciją bei linksmina moksleivius. Nanotechnologijos nepaverčia visatos savaime besikartojančia nanobotų minia. Dėl jų lietpaltis tampa atsparesnis vandeniui, o betonas – patvaresnis. Atominė bomba, sprogo jūroje, niekada nepradėjo grandininės termobranduolinės vandenilio branduolių sintezės reakcijos ir nepavertė mūsų kita saule. Hadronų greitintuvas nepavertė planetos viduje ir neįtraukė viso pasaulio į juodąją skylę. Dirbtinis intelektas jau sukurtas, bet jis tik šaiposi iš žmonijos sunaikinimo idėjos.
Laiko mašina nėra išimtis. Faktas yra tas, kad jis buvo sukurtas praėjusio amžiaus viduryje. Jis buvo sukurtas ne kaip tikslas savaime, o tik kaip įrankis sukurti vieną mažą, neapsakomą, bet labai nuostabų įrenginį.

Vienu metu profesorius Dmitrijus Nikolajevičius Gračiovas buvo labai suglumęs kūrimo klausimu veiksmingomis priemonėmis apsauga nuo radijo spinduliuotės. Iš pirmo žvilgsnio užduotis atrodė neįmanoma – įrenginys turėjo reaguoti į kiekvieną radijo bangą savo ir tuo pačiu niekaip neprisirišti prie signalo šaltinio (nes tai buvo priešas). Dmitrijus Nikolajevičius kartą stebėjo, kaip vaikai kieme žaidžia „dodgebolą“. Žaidimą laimi greičiausias žaidėjas, efektyviausiai išvengęs kamuolio. Tam reikalinga koordinacija, o svarbiausia – gebėjimas nuspėti kamuolio trajektoriją.

Gebėjimą nuspėti lemia skaičiavimo ištekliai. Tačiau mūsų atveju, padidinus skaičiavimo išteklius, nieko nebus. Tam net ir moderniausi superkompiuteriai neužteks greičio ir tikslumo. Kalbėjome apie spontaniško proceso numatymą mikrobangų radijo bangos pusės ciklo greičiu.

Profesorius pakėlė į krūmus nuskridusį kamuolį ir metė atgal vaikams. Kam nuspėti, kur kamuolys nukeliaus, kai jis jau atkeliavo? Buvo rastas sprendimas: nežinomo įvesties radijo signalo charakteristikos yra gerai žinomos artimiausiu metu ir jų skaičiuoti tiesiog nereikia. Pakanka juos išmatuoti tiesiai ten. Tačiau čia yra problema: neįmanoma keliauti laiku net nanosekundę. Tačiau to nereikėjo atliekant šią užduotį. Tik būtina, kad jautrusis įrenginio elementas – tranzistorius – artimiausiu metu būtų bent iš dalies. Ir čia į pagalbą atėjo neseniai atrastas kvantinės superpozicijos reiškinys. Jo prasmė ta, kad ta pati dalelė gali būti skirtingose ​​vietose ir tuo pačiu metu.

Dėl to profesorius Gračiovas sukūrė į masę orientuotą kvantą elektronų gaudyklė- realaus laiko mašina, kurioje pirmą kartą buvo sukurtas puslaidininkinis lustas, kurio dalis elektronų yra ateityje, o kartu ir dabartyje. Tos pačios TMA prototipas – lustas, valdantis Gračevo rezonatorių. Galima sakyti, kad šis dalykas visada turės vieną koją ateityje.

• Vertimas

Pasak Oksfordo universiteto fiziko Oweno Maroney, nuo pat kvantinės teorijos atsiradimo XX a. dešimtmetyje visi kalba apie teorijos keistumą. Kaip tai leidžia dalelėms ir atomams judėti keliomis kryptimis tuo pačiu metu arba suktis pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę tuo pačiu metu. Bet žodžiai nieko negali įrodyti. „Jei pasakysime visuomenei, kad kvantinė teorija yra labai keista, turime išbandyti šį teiginį eksperimentiškai“, – sako Maroney. „Priešingu atveju mes neužsiimame mokslu, o kalbame apie visokius vingius lentoje.

Būtent tai paskatino Maroney ir jo kolegas sukurti naują eksperimentų seriją, kad atskleistų bangos funkcijos esmę. paslaptinga būtybė, kuris yra kvantinių keistenybių pagrindas. Popieriuje bangų funkcija yra tiesiog matematinis objektas, žymimas raide psi (Ψ) (viena iš tų vingių), ir naudojama apibūdinti dalelių kvantinį elgesį. Priklausomai nuo eksperimento, bangų funkcija leidžia mokslininkams apskaičiuoti tikimybę pamatyti elektroną tam tikroje vietoje arba tikimybę, kad jo sukimasis yra nukreiptas aukštyn arba žemyn. Tačiau matematika nepasako, kas iš tikrųjų yra bangos funkcija. Ar tai kažkas fizinio? Ar tiesiog skaičiavimo įrankis, skirtas susidoroti su stebėtojo nežinojimu apie realų pasaulį?

Testai, naudojami atsakant į klausimą, yra labai subtilūs ir dar nepateikė galutinio atsakymo. Tačiau mokslininkai optimistiškai tikina, kad pabaiga arti. Ir pagaliau galės atsakyti į visus dešimtmečius kankinusius klausimus. Ar dalelė tikrai gali būti daugelyje vietų vienu metu? Ar Visata nuolat dalijasi į Lygiagretūs pasauliai, kurių kiekviename yra mūsų alternatyvi versija? Ar išvis egzistuoja kažkas, kas vadinama „objektyvia tikrove“?

„Anksčiau ar vėliau visiems kyla tokių klausimų“, – sako Kvinslando universiteto (Australija) fizikas Alessandro Fedricci. "Kas iš tikrųjų yra tikra?"

Ginčai dėl tikrovės esmės prasidėjo dar tada, kai fizikai išsiaiškino, kad banga ir dalelė yra tik dvi tos pačios monetos pusės. Klasikinis pavyzdys– dvigubo plyšio eksperimentas, kai atskiri elektronai šaudomi į barjerą, turintį du plyšius: elektronas elgiasi taip, lyg vienu metu eitų per du plyšius, sukurdamas dryžuotą interferencinį raštą kitoje jo pusėje. 1926 m. austrų fizikas Erwinas Schrödingeris sugalvojo bangų funkciją šiam elgesiui apibūdinti ir išvedė lygtį, kurią būtų galima apskaičiuoti bet kokiai situacijai. Tačiau nei jis, nei kas nors kitas nieko negalėjo pasakyti apie šios funkcijos pobūdį.

Malonė nežinioje

Praktiniu požiūriu jo prigimtis nėra svarbi. Kopenhagos kvantinės teorijos interpretacija, kurią XX amžiaus 2 dešimtmetyje sukūrė Nielsas Bohras ir Werneris Heisenbergas, bangų funkciją naudoja tiesiog kaip įrankį stebėjimų rezultatams nuspėti, negalvojant apie tai, kas vyksta tikrovėje. „Negalima kaltinti fizikų dėl tokio „užsičiaupk ir skaičiuok“ elgesio, nes tai lėmė reikšmingus proveržius branduolinės ir atominės fizikos, fizikos srityse. kietas ir dalelių fizika“, – sako Jean Bricmont, statistikos fizikas iš Belgijos katalikų universiteto. „Taigi žmonėms patariama nesijaudinti dėl esminių problemų“.

Tačiau kai kurie vis dar nerimauja. Iki 1930-ųjų Einšteinas atmetė Kopenhagos aiškinimą, ypač dėl to, kad jis leido dviem dalelėms įsipainioti į savo bangines funkcijas, todėl susidarė situacija, kai vienos dalelės išmatavo iš karto kitos būseną, net jei jas skiria didžiuliai atstumai. atstumai. Kad nesusitaikytų su šia „bauginančia sąveika per atstumą“, Einšteinas mieliau tikėjo, kad dalelių banginės funkcijos yra neišsamios. Jis teigė, kad gali būti, kad dalelės turi paslėptų kintamųjų, lemiančių matavimo rezultatą, kurių nepastebėjo kvantinė teorija.

Nuo tada eksperimentai parodė bauginančios sąveikos per atstumą funkcionalumą, o tai atmeta paslėptų kintamųjų koncepciją. bet tai nesutrukdė kitiems fizikai jų interpretuoti savaip. Šios interpretacijos skirstomos į dvi stovyklas. Kai kurie sutinka su Einšteinu, kad bangos funkcija atspindi mūsų nežinojimą. Tai yra tai, ką filosofai vadina psi-episteminiais modeliais. O kiti į bangų funkciją žiūri kaip į tikrą dalyką – psi-ontinius modelius.

Norėdami suprasti skirtumą, įsivaizduokime Schrödingerio minties eksperimentą, kurį jis aprašė 1935 m. laiške Einšteinui. Katė yra plieninėje dėžutėje. Dėžutėje yra radioaktyvios medžiagos mėginys, kuris turi 50% tikimybę, kad per vieną valandą išsiskirs skilimo produktas, ir aparatas, kuris aptikęs šį produktą apnuodys katę. Nes radioaktyvusis skilimas– kvantinio lygio įvykis, rašo Schrödingeris, kvantinės teorijos taisyklės sako, kad valandos pabaigoje dėžutės vidaus banginė funkcija turi būti mirusios ir gyvos katės mišinys.

„Grubiai tariant, – švelniai sako Fedricci, – psi-episteminiame modelyje katė dėžutėje yra gyva arba negyva, o mes to tiesiog nežinome, nes dėžė uždaryta. Ir daugumoje psioninių modelių sutinkama su Kopenhagos interpretacija: kol stebėtojas neatidaro dėžės, katė bus ir gyva, ir mirusi.

Tačiau čia ginčas patenka į aklavietę. Kuris aiškinimas yra teisingas? Į šį klausimą sunku atsakyti eksperimentiškai, nes modelių skirtumai yra labai subtilūs. Jie iš esmės turėtų numatyti tą patį kvantinį reiškinį, kaip ir labai sėkminga Kopenhagos interpretacija. Kvinslando universiteto fizikas Andrew White'as sako, kad per 20 metų trukusią karjerą kvantinių technologijų srityje „ši problema buvo tarsi didžiulis lygus kalnas be jokių atbrailų, prie kurių negalėjai privažiuoti“.

Viskas pasikeitė 2011 m., kai buvo paskelbta kvantinio matavimo teorema, kuri tarsi pašalino „bangų funkcijos kaip nežinojimo“ metodą. Tačiau atidžiau panagrinėjus paaiškėjo, kad ši teorema palieka pakankamai erdvės jų manevrui. Tačiau tai įkvėpė fizikus rimtai pagalvoti apie būdus, kaip išspręsti ginčą išbandant bangų funkcijos tikrovę. Maroney jau buvo sukūręs eksperimentą, kuris iš esmės veikė, ir jis su kolegomis netrukus rado būdą, kaip tai padaryti praktiškai. Eksperimentą pernai atliko Fedrici, White ir kt.

Norėdami suprasti testo idėją, įsivaizduokite dvi kortų kaladės. Vienas turi tik raudonus, kitas tik tūzus. „Jums suteikiama kortelė ir prašoma nustatyti, iš kurios kaladės ji yra“, – sako Martinas Ringbaueris, fizikas iš to paties universiteto. Jei tai raudonasis tūzas, „bus krosoveris ir jūs negalite tiksliai pasakyti“. Bet jei žinote, kiek kortų yra kiekvienoje kaladėje, galite apskaičiuoti, kaip dažnai tokia dviprasmiška situacija susiklostys.

Fizikai pavojuje

Tas pats dviprasmiškumas vyksta kvantinėse sistemose. Vienu matavimu ne visada įmanoma sužinoti, pavyzdžiui, kiek poliarizuotas yra fotonas. „Realiame gyvenime lengva atskirti vakarus ir kryptį, esančią tiesiai į pietus nuo vakarų, tačiau kvantinėse sistemose tai nėra taip paprasta“, - sako White'as. Pagal standartinį Kopenhagos aiškinimą, nėra prasmės klausti apie poliarizaciją, nes į klausimą nėra atsakymo – kol dar vienas matavimas tiksliai nenustatys atsakymo. Tačiau pagal bangos funkcijos kaip nežinojimo modelį klausimas yra prasmingas – tiesiog eksperimente, kaip ir su kortų kaladėmis, trūksta informacijos. Kaip ir žemėlapiuose, galima numatyti, kiek dviprasmiškų situacijų galima paaiškinti tokiu nežinojimu, ir palyginti jas su daugybe dviprasmiškų situacijų, išspręstų standartine teorija.

Būtent tai Fedrici ir jo komanda išbandė. Komanda išmatavo poliarizaciją ir kitas fotonų pluošto savybes ir nustatė susikirtimo lygius, kurių negalima paaiškinti „nežinojimo“ modeliais. Rezultatas patvirtina alternatyvią teoriją – jei egzistuoja objektyvi tikrovė, tai egzistuoja banginė funkcija. „Įspūdinga, kad komandai pavyko tai išspręsti sunki užduotis toks paprastas eksperimentas“, – sako Andrea Alberti, Bonos universiteto (Vokietija) fizikė.

Išvada dar neįkalta į akmenį: kadangi detektoriai sugavo tik penktadalį bandyme naudotų fotonų, turime daryti prielaidą, kad prarasti fotonai elgėsi taip pat. Tai tvirta prielaida, o komanda dabar stengiasi sumažinti nuostolius ir pasiekti tikslesnius rezultatus. Tuo tarpu Maroney komanda Oksforde bendradarbiauja su Naujojo Pietų Velso universitetu Australijoje, kad atkartotų eksperimentą su jonais, kuriuos lengviau sekti. „Per ateinančius šešis mėnesius turėsime galutinę šio eksperimento versiją“, – sako Maroney.

Bet net jei jiems pasiseka ir laimi „bangos funkcijos kaip realybės“ modeliai, šie modeliai taip pat turi skirtingi variantai. Eksperimentuotojai turės pasirinkti vieną iš jų.

Vieną iš ankstyviausių interpretacijų XX amžiaus 2 dešimtmetyje sukūrė prancūzas Louisas de Broglie, o šeštajame dešimtmetyje išplėtė amerikietis Davidas Bohmas. Remiantis Broglie-Bohm modeliais, dalelės turi specifinę vietą ir savybes, tačiau jas varo tam tikra „pilotinė banga“, kuri apibrėžiama kaip bangos funkcija. Tai paaiškina dviejų plyšių eksperimentą, nes pilotinė banga gali pereiti per abu plyšius ir sukurti interferencijos modelį, nors pats elektronas, jo pritrauktas, praeina tik per vieną iš dviejų plyšių.

2005 metais šis modelis sulaukė netikėto palaikymo. Fizikai Emmanuelis Fortas, dabar dirbantis Langevin institute Paryžiuje, ir Yves Caudier iš Paryžiaus Diderot universiteto pateikė studentams, jų nuomone, paprastą problemą: surengė eksperimentą, kurio metu aliejaus lašai, krintantys ant padėklo, susijungtų dėl vibracijos padėklas. Visų nuostabai, dėklui vibruojant tam tikru dažniu, aplink lašelius pradėjo formuotis bangos. „Lašeliai pradėjo judėti savarankiškai savo bangomis“, - sako Fortas. „Tai buvo dvigubas objektas – bangos ištraukta dalelė.

Forthas ir Caudieris nuo to laiko parodė, kad tokios bangos gali atlikti savo daleles dvigubo plyšio eksperimente tiksliai taip, kaip numato bandomosios bangos teorija, ir gali atkurti kitus kvantinius efektus. Bet tai neįrodo bandomųjų bangų egzistavimo kvantiniame pasaulyje. „Mums buvo pasakyta, kad klasikinėje fizikoje tokie efektai neįmanomi“, – sako Fortas. "Ir čia mes parodėme, kas įmanoma."

Kitas tikrove pagrįstų modelių rinkinys, sukurtas devintajame dešimtmetyje, bando paaiškinti didžiulius didelių ir mažų objektų savybių skirtumus. „Kodėl elektronai ir atomai gali būti dviejose vietose vienu metu, o stalai, kėdės, žmonės ir katės negali“, – sako Angelo Basi, fizikas iš Triesto universiteto (Italija). Šios teorijos, žinomos kaip „žlugimo modeliai“, teigia, kad atskirų dalelių banginės funkcijos yra tikros, tačiau gali prarasti savo funkcijas. kvantines savybes ir nuveskite dalelę į tam tikrą vietą erdvėje. Modeliai sukurti taip, kad tokios žlugimo tikimybė atskirai dalelei būtų itin maža, kad atominiame lygmenyje dominuotų kvantiniai efektai. Tačiau dalelėms susijungus, žlugimo tikimybė sparčiai didėja, o makroskopiniai objektai visiškai praranda savo kvantines savybes ir elgiasi pagal klasikinės fizikos dėsnius.

Vienas iš būdų tai patikrinti – ieškoti kvantinių efektų dideliuose objektuose. Jei standartinė kvantų teorija yra teisinga, tada dydis neribojamas. O fizikai jau atliko dvigubo plyšio eksperimentą, naudodami dideles molekules. Bet jei žlugimo modeliai yra teisingi, kvantiniai efektai nebus matomi virš tam tikros masės. Įvairios grupės planuoja šios masės ieškoti naudodamos šaltus atomus, molekules, metalų spiečius ir nanodaleles. Jie tikisi per ateinančius dešimt metų pastebėti rezultatus. „Tai, kas puiku su šiais eksperimentais, yra tai, kad mes juos atliksime kvantinė teorija tikslūs testai kur jis dar nebuvo išbandytas“, – sako Maroney.

Lygiagretūs pasauliai

Vienas „bangų funkcijos kaip realybės“ modelis jau žinomas ir pamėgtas mokslinės fantastikos rašytojų. Tai daugelio pasaulių interpretacija, kurią šeštajame dešimtmetyje sukūrė Hugh Everett, kuris tuo metu buvo Prinstono universiteto Naujajame Džersyje studentas. Šiame modelyje bangų funkcija taip stipriai lemia tikrovės raidą, kad su kiekvienu kvantiniu matavimu Visata skyla į paralelinius pasaulius. Kitaip tariant, atidarę dėžutę su kate, gimstame dvi Visatas – vienoje su negyva kate, o kitoje – gyva.

Sunku atskirti šį aiškinimą nuo standartinės kvantinės teorijos, nes jų prognozės yra vienodos. Tačiau praėjusiais metais Howardas Wisemanas iš Griffith universiteto Brisbene ir jo kolegos pasiūlė išbandomą multivisatos modelį. Jų modelyje banginės funkcijos nėra – dalelės paklūsta klasikinei fizikai, Niutono dėsniams. O keistas kvantinio pasaulio poveikis atsiranda todėl, kad paralelinėse visatose tarp dalelių ir jų klonų egzistuoja atstumiančios jėgos. „Atstumianti jėga tarp jų sukuria bangas, kurios pasklinda lygiagrečiuose pasauliuose“, - sako Wiseman.

Naudodami kompiuterinį modeliavimą, kuriame sąveikavo 41 visata, jie parodė, kad modelis apytiksliai atkuria kelis kvantinius efektus, įskaitant dalelių trajektorijas dvigubo plyšio eksperimente. Didėjant pasaulių skaičiui, trukdžių modelis linksta į tikrąjį. Kadangi teorijos prognozės skiriasi priklausomai nuo pasaulių skaičiaus, Wiseman teigia, kad galima patikrinti, ar multivisatos modelis yra teisingas, tai yra, ar nėra bangos funkcijos ir ar tikrovė veikia pagal klasikinius dėsnius.

Kadangi bangos funkcija šiame modelyje nereikalinga, ji išliks gyvybinga, net jei būsimi eksperimentai atmes „nežinojimo“ modelius. Be to, išliks ir kiti modeliai, pavyzdžiui, Kopenhagos interpretacija, kuri teigia, kad ne objektyvią tikrovę, bet yra tik skaičiavimai.

Bet tada, pasak White'o, šis klausimas taps tyrimo objektu. Ir nors dar niekas nežino, kaip tai padaryti, „būtų tikrai įdomu sukurti testą, kuris patikrintų, ar mes netgi turime objektyvią tikrovę“.