Kuklalar için yapılan beş deneyde kuantum fiziğinin temelleri. Bilincin maddeyi nasıl kontrol ettiği

İnsanlar "kuantum fiziği" kelimelerini duyduklarında genellikle omuz silkiyorlar: "Bu son derece karmaşık bir şey." Bu arada bu kesinlikle doğru değil ve “kuantum” kelimesinde kesinlikle korkutucu bir şey yok. Bir sürü anlaşılmaz şey var, bir sürü ilginç şey var ama hiçbir şey korkutucu değil.

Hakkında kitap rafları, merdivenler ve Ivan Ivanovich

Çevremizdeki dünyadaki tüm süreçler, olaylar ve miktarlar iki gruba ayrılabilir: sürekli (bilimsel olarak) süreklilik ) ve süreksiz (bilimsel olarak ayrık veya nicemlenmiş ).

Üzerine kitap koyabileceğiniz bir masa hayal edin. Kitabı masanın herhangi bir yerine koyabilirsiniz. Sağa, sola, orta... Nereye istersen oraya koy. Bu durumda fizikçiler kitabın masa üzerindeki konumunun değiştiğini söylüyor devamlı olarak .

Şimdi kitap raflarını hayal edin. Bir kitabı birinci, ikinci, üçüncü veya dördüncü rafa koyabilirsiniz; ancak "üçüncü ile dördüncü arasında bir yere" kitap koyamazsınız. Bu durumda kitabın konumu değişir. aralıklı olarak , gizlice , nicemlenmiş (tüm bu kelimeler aynı anlama gelir).

Çevremizdeki dünya sürekli ve niceliksel niceliklerle doludur. İşte iki kız - Katya ve Masha. Yükseklikleri 135 ve 136 santimetredir. Bunun bedeni ne? Yükseklik sürekli değişir, 135 buçuk santimetre olabilir, 135 buçuk santimetre olabilir. Ancak kızların okuduğu okul sayısı niceliksel bir miktardır! Diyelim ki Katya 135 numaralı okulda, Masha ise 136 numaralı okulda okuyor. Ancak hiçbiri 135 buçuk numaralı okulda okuyamıyor değil mi?

Kuantize edilmiş sistemin bir başka örneği de satranç tahtasıdır. Satranç tahtasında 64 kare vardır ve her parça yalnızca bir kareyi kaplayabilir. Hücrelerin arasına bir piyon yerleştirebilir miyiz veya iki piyonu aynı anda bir hücreye yerleştirebilir miyiz? Aslında yapabiliriz ama kurallara göre hayır.

Sürekli iniş

Ve işte oyun alanındaki kaydırak. Çocuklar oradan aşağıya doğru kayarlar - çünkü kaydırağın yüksekliği sürekli olarak yumuşak bir şekilde değişir. Şimdi bu kaymanın aniden gerçekleştiğini hayal edin (dalga sihirli değnek!) bir merdivene dönüştü. Poposu üzerinde yuvarlanmak artık işe yaramayacak. Ayaklarınızla yürümek zorunda kalacaksınız - önce bir adım, sonra ikinci, sonra üçüncü. Boyut (yükseklik) değişti devamlı olarak – ancak adım adım, yani ayrı ayrı değişmeye başladı, nicemlenmiş .

Nicelenmiş iniş

Hadi kontrol edelim!

1. Yazlıktaki komşu Ivan Ivanovich komşu köye gitti ve "Yolda bir yerde dinleneceğim" dedi.

2. Yazlıktaki komşu Ivan Ivanovich komşu köye gitti ve "Otobüsle gideceğim" dedi.

Bu iki durumdan (“sistem”) hangisinin sürekli olduğu, hangisinin kuantumlanmış olduğu düşünülebilir?

Cevap:

İlk durumda, Ivan Ivanovich yürüyor ve kesinlikle herhangi bir noktada dinlenmeyi bırakabiliyor. Bu, bu sistemin sürekli olduğu anlamına gelir.

İkincisinde Ivan Ivanovich durağa gelen otobüse binebilir. Kaçırabilir ve bir sonraki otobüsü bekleyebilir. Ancak otobüslerin "arasında bir yere" oturamayacak. Bu, bu sistemin kuantize olduğu anlamına gelir!

Astronomiyi suçla

Eski Yunanlılar sürekli (sürekli) ve süreksiz (kuantize edilmiş, süreksiz, ayrık) niceliklerin varlığının farkındaydı. Arşimed, Psammit (Kum Taneleri Hesabı) adlı kitabında sürekli ve niceliksel nicelikler arasında matematiksel bir bağlantı kurmaya yönelik ilk girişimi bile yaptı. Ancak o zamanlar kuantum fiziği yoktu.

20. yüzyılın başına kadar yoktu! Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Young ya da Maxwell gibi büyük fizikçiler kuantum fiziğini hiç duymamışlardı ve onsuz da gayet iyi idare ediyorlardı. Şunu sorabilirsiniz: O halde bilim insanları neden kuantum fiziğini ortaya attılar? Fizikte ne özel oldu? Ne olduğunu hayal edin. Sadece fizikte değil, astronomide!

Gizemli arkadaş

1844'te Alman gökbilimci Friedrich Bessel en çok gözlem yapan kişiydi. parlak yıldız gece gökyüzümüzün - Sirius. O zamana kadar gökbilimciler gökyüzümüzdeki yıldızların sabit olmadığını, yalnızca çok çok yavaş hareket ettiklerini zaten biliyorlardı. Üstelik her yıldız önemlidir! - düz bir çizgide hareket eder. Yani Sirius'u gözlemlerken onun hiçbir şekilde düz bir çizgide hareket etmediği ortaya çıktı. Yıldız önce bir yönde, sonra diğer yönde "şaşırtıcı" görünüyordu. Sirius'un gökyüzündeki yolu, matematikçilerin "sinüs dalgası" dediği kıvrımlı bir çizgiye benziyordu.

Sirius yıldızı ve uydusu - Sirius B

Yıldızın kendisinin bu şekilde hareket edemeyeceği açıktı. Düz bir çizgideki hareketi sinüs dalgası boyunca harekete dönüştürmek için bir tür "rahatsız edici kuvvete" ihtiyaç vardır. Bu nedenle Bessel, ağır bir uydunun Sirius'un etrafında döndüğünü öne sürdü - bu en doğal ve makul açıklamaydı.

Ancak hesaplamalar, bu uydunun kütlesinin yaklaşık olarak Güneş'imizin kütlesiyle aynı olması gerektiğini gösterdi. Peki neden bu uyduyu Dünya'dan göremiyoruz? Sirius'un bulunduğu yer Güneş Sistemiçok uzakta değil - yaklaşık iki buçuk parsek ve Güneş büyüklüğünde bir nesne çok iyi görülebiliyor olmalı...

Zor bir görevdi. Bazı bilim adamları bu uydunun soğuk, soğumuş bir yıldız olduğunu, dolayısıyla tamamen siyah olduğunu ve gezegenimizden görülemeyeceğini söyledi. Diğerleri bu uydunun siyah değil şeffaf olduğunu, bu yüzden onu göremediğimizi söyledi. Dünyanın her yerindeki gökbilimciler teleskoplarla Sirius'a baktılar ve gizemli görünmez uyduyu "yakalamaya" çalıştılar, ama sanki onlarla alay ediyormuş gibi görünüyordu. Şaşıracak bir şey vardı, biliyorsun...

Mucize bir teleskopa ihtiyacımız var!

Böyle bir teleskop sayesinde insanlar ilk kez Sirius'un uydusunu gördüler

19. yüzyılın ortalarında seçkin teleskop tasarımcısı Alvin Clark Amerika Birleşik Devletleri'nde yaşadı ve çalıştı. İlk mesleği sanatçıydı ama şans eseri birinci sınıf bir mühendis, camcı ve astronoma dönüştü. Şimdiye kadar hiç kimse onun muhteşem mercekli teleskoplarını geçemedi! Alvin Clark'ın merceklerinden biri (76 santimetre çapında) St. Petersburg'daki Pulkovo Gözlemevi Müzesi'nde görülebilir...

Ancak konuyu saptırıyoruz. Böylece, 1867'de Alvin Clark, 47 santimetre çapında bir merceğe sahip yeni bir teleskop yaptı; en çok buydu büyük teleskop o zamanlar ABD'deydi. Testler sırasında gözlemlenecek ilk gök cismi olarak gizemli Sirius seçildi. Ve gökbilimcilerin umutları zekice haklı çıktı - daha ilk gece, Bessel'in öngördüğü, bulunması zor Sirius uydusu keşfedildi.

Kızartma tavasından ateşe...

Ancak Clark'ın gözlemlerinden veri alan gökbilimciler uzun süre sevinmediler. Sonuçta yapılan hesaplamalara göre uydunun kütlesinin yaklaşık olarak Güneşimizin kütlesiyle aynı olması gerekiyor (Dünya kütlesinin 333.000 katı). Ancak gökbilimciler devasa siyah (veya şeffaf) bir gök cismi yerine... küçük beyaz bir yıldız gördüler! Bu yıldız çok sıcaktı (Güneşimizin 5.500 derecesi ile karşılaştırıldığında 25.000 derece) ve aynı zamanda çok küçüktü (kozmik standartlara göre), boyut olarak çok küçük değildi. Dünya'dan daha fazlası(daha sonra bu tür yıldızlara “beyaz cüceler” adı verildi). Bu yıldızın tamamen hayal edilemeyecek bir yoğunluğa sahip olduğu ortaya çıktı. O halde hangi maddeden oluşuyor?

Dünya'da yüksek yoğunluklu malzemeler biliyoruz; örneğin kurşun (bu metalden yapılmış bir santimetre küpün ağırlığı 11,3 gramdır) veya altın (santimetre küp başına 19,3 gram). Sirius uydusunun maddesinin yoğunluğu (“Sirius B” olarak adlandırılıyordu) milyon (!!!) santimetre küp başına gram - altından 52 bin kat daha ağırdır!

Örneğin sıradan bir kibrit kutusunu ele alalım. Hacmi 28 santimetreküptür. Bu, Sirius uydusunun maddesiyle dolu bir kibrit kutusunun ağırlığının... 28 ton olacağı anlamına geliyor! Hayal etmeye çalışın - terazinin bir tarafında bir kibrit kutusu, diğer tarafında ise bir tank var!

Bir sorun daha vardı. Fizikte Charles Yasası diye bir yasa var. Aynı hacimde bir maddenin basıncı ne kadar yüksekse o maddenin sıcaklığı da o kadar yüksek olur diyor. Sıcak buhar basıncının kaynayan bir su ısıtıcısının kapağını nasıl yırttığını hatırlayın; neyden bahsettiğimizi hemen anlayacaksınız. Yani Sirius uydusunun maddesinin sıcaklığı Charles'ın bu yasasını en vicdansız şekilde ihlal ediyordu! Basınç hayal edilemezdi ve sıcaklık nispeten düşüktü. Sonuç "yanlış" fizik yasaları ve genellikle "yanlış" fizikti. Winnie the Pooh gibi - "yanlış arılar ve yanlış bal."

Başım tamamen dönüyor...

Bilim adamları, 20. yüzyılın başında fiziği "kurtarmak" için dünyada aynı anda İKİ fiziğin olduğunu kabul etmek zorunda kaldılar - biri iki bin yıldır bilinen "klasik". Ve ikincisi olağandışı, kuantum . Bilim adamları, klasik fizik yasalarının dünyamızın olağan, "makroskobik" seviyesinde işlediğini öne sürdüler. Ancak en küçük, "mikroskobik" seviyede, madde ve enerji tamamen farklı yasalara, yani kuantum yasalarına uyar.

Dünya gezegenimizi hayal edin. Artık 15.000'den fazla farklı yapay nesne onun etrafında dönüyor ve her biri kendi yörüngesinde. Üstelik istenirse bu yörünge değiştirilebilir (düzeltilebilir) - örneğin Uluslararası'nın yörüngesi uzay istasyonu(ISS). Bu makroskobik bir düzeydir, klasik fizik yasaları (örneğin Newton yasaları) burada işler.

Şimdi mikroskobik seviyeye geçelim. Bir atomun çekirdeğini hayal edin. Elektronlar, uydular gibi onun etrafında dönerler - ancak istenilen sayıda olamazlar (örneğin, bir helyum atomunda ikiden fazla yoktur). Ve elektronların yörüngeleri artık keyfi olmayacak, kuantize edilmiş, "adımlı" olacak. Fizikçiler bu tür yörüngelere "izin verilen enerji seviyeleri" de diyorlar. Bir elektron, izin verilen bir seviyeden diğerine "sorunsuz bir şekilde" hareket edemez; yalnızca bir seviyeden seviyeye anında "atlayabilir". Tam “oradaydım” ve bir anda kendimi “burada” buldum. “Orası” ile “burası” arasında bir yerde olamaz. Anında yer değiştiriyor.

Harika mı? Muhteşem! Ama hepsi bu değil. Gerçek şu ki, kuantum fiziği yasalarına göre iki özdeş elektronlar aynı enerji seviyesinde bulunamaz. Asla. Bilim insanları bu olguyu "Pauli dışlaması" olarak adlandırıyor (bu "yasağın" neden yürürlükte olduğunu henüz açıklayamıyorlar). En önemlisi, bu “yasak” şuna benziyor: satranç tahtası Kuantum sistemine örnek olarak verdiğimiz örnekte, eğer tahtanın bir hücresinde bir piyon varsa, bu hücreye başka bir piyon yerleştirilemez. Tam olarak aynı şey elektronlarda da olur!

Sorunun çözümü

Kuantum fiziğinin Sirius B'nin içindeki Charles yasasının ihlali gibi sıra dışı olayları nasıl açıkladığını soruyorsunuz? İşte nasıl.

Dans pisti olan bir şehir parkı hayal edin. Sokakta yürüyen bir sürü insan var, dans etmek için dans pistine geliyorlar. Sokaktaki insan sayısı baskıyı, diskodaki insan sayısı da sıcaklığı temsil etsin. Dans pistine çok sayıda insan girebilir - Daha fazla insan Parkta yürürken, dans pistinde ne kadar çok insan dans ederse, yani basınç ne kadar yüksek olursa sıcaklık da o kadar yüksek olur. Charles kanunu da dahil olmak üzere klasik fizik kanunları bu şekilde işler. Bilim insanları bu maddeye “ideal gaz” adını veriyor.

Dans pistindeki insanlar “ideal gazdır”

Ancak mikroskobik düzeyde klasik fizik yasaları geçerli değildir. Burada kuantum yasaları işlemeye başlıyor ve bu durum durumu kökten değiştiriyor.

Parktaki dans pistinin yerine bir kafe açıldığını düşünelim. Fark ne? Evet gerçek şu ki, diskodan farklı olarak "istediğiniz kadar insan" kafeye girmeyecek. Masalardaki tüm koltuklar dolduğu anda güvenlik, insanları içeri almayı bırakacaktır. Ve misafirlerden biri masayı boşaltıncaya kadar güvenlik kimseyi içeri almayacak! Giderek daha fazla insan parkta yürüyor ancak kafedeki insan sayısı aynı kalıyor. Basıncın arttığı, ancak sıcaklığın "hareketsiz kaldığı" ortaya çıktı.

Kafedeki insanlar - “kuantum gazı”

Sirius B'nin içinde elbette hiç insan, dans pisti veya kafe yok. Ancak prensip aynı kalıyor: elektronlar izin verilen her şeyi dolduruyor enerji seviyeleri(ziyaretçiler gibi - bir kafedeki masalar) ve artık Pauli'nin yasağına göre "kimseyi içeri alamazlar". Bunun sonucunda yıldızın içinde hayal edilemeyecek kadar büyük bir basınç elde edilir ancak sıcaklık yüksek ancak yıldızlar için oldukça sıradandır. Fizikte böyle bir maddeye "dejenere kuantum gazı" denir.

Devam edelim mi?..

Anormal derecede yüksek yoğunluk Beyaz cüceler fizikte kuantum yasalarının kullanılmasını gerektiren tek fenomen olmaktan çok uzaktır. Bu konu ilginizi çekiyorsa, Luchik'in sonraki sayılarında daha az ilginç olmayan diğer kuantum fenomenlerinden bahsedebiliriz. Yazmak! Şimdilik asıl konuyu hatırlayalım:

1. Dünyamızda (Evren), klasik fizik yasaları makroskobik (yani “büyük”) düzeyde işler. Sıradan sıvıların ve gazların özelliklerini, yıldızların ve gezegenlerin hareketlerini ve çok daha fazlasını tanımlarlar. Bu, okulda okuduğunuz (veya okuyacağınız) fiziktir.

2. Bununla birlikte, mikroskobik (yani inanılmaz derecede küçük, en küçük bakterilerden milyonlarca kat daha küçük) düzeyde, tamamen farklı yasalar - kuantum fiziği yasaları - işliyor. Bu yasalar çok karmaşık olarak tanımlanıyor matematiksel formüller ve okulda okutulmazlar. Bununla birlikte, beyaz cüceler (Sirius B gibi), nötron yıldızları, kara delikler vb. gibi şaşırtıcı kozmik nesnelerin yapısını nispeten net bir şekilde açıklamayı yalnızca kuantum fiziği mümkün kılar.

Birçok insana fizik çok uzak ve kafa karıştırıcı görünüyor, kuantum fiziği ise daha da uzak. Ama bu büyük gizemin perdesini sizin için açmak istiyorum çünkü gerçekte her şey tuhaf ama çözülüyor.

Ayrıca kuantum fiziği akıllı insanlarla konuşulacak harika bir konudur.

Kuantum fiziği kolaylaştı

İlk önce kafanıza bir tane çizmeniz gerekiyor büyük çizgi Mikro dünya ile makro dünya arasında çünkü bu dünyalar tamamen farklı. Aşina olduğunuz uzay ve içindeki nesneler hakkında bildiğiniz her şey yanlıştır ve kuantum fiziğinde kabul edilemez.

Aslında mikropartiküllerin, bilim insanları onlara bakana kadar ne hızları ne de belirli bir konumları vardır. Bu ifade bize tamamen saçma görünüyor ve Albert Einstein'a da öyle göründü, ancak hatta büyük fizikçi geri adım attı.

Gerçek şu ki araştırmalar, belirli bir konumu işgal eden bir parçacığa bir kez baktığınızda, sonra dönüp tekrar baktığınızda, bu parçacığın zaten tamamen farklı bir konum aldığını göreceğinizi kanıtladı.

Bu yaramaz parçacıklar

Her şey basit görünüyor ama aynı parçacığa baktığımızda hareketsiz duruyor. Yani bu parçacıklar ancak biz göremediğimiz zaman hareket ederler.

İşin özü, her parçacığın (olasılık teorisine göre) şu veya bu konumda olma olasılıklarının bir ölçeğine sahip olmasıdır. Ve dönüp döndüğümüzde, parçacığı olasılık ölçeğine göre mümkün olan herhangi bir konumda tam olarak yakalayabiliriz.

Araştırmaya göre parçacık arandı farklı yerler, sonra onu izlemeyi bıraktı ve konumunun nasıl değiştiğini görmek için tekrar izledi. Sonuç tek kelimeyle çarpıcıydı. Özetle, bilim insanları şu veya bu parçacığın nerede bulunabileceğine dair bir olasılık ölçeği oluşturmayı gerçekten başardılar.

Örneğin bir nötronun üç konumda bulunma yeteneği vardır. Araştırma yaptıktan sonra, ilk pozisyonda %15, ikinci pozisyonda %60, üçüncü pozisyonda %25 olasılıkla olacağını görebilirsiniz.

Henüz kimse bu teoriyi çürütemedi, bu yüzden garip bir şekilde en doğru olanı bu.

Makro dünya ve mikro dünya

Makrokozmostan bir cisim alırsak onun da bir olasılık ölçeği olduğunu ama tamamen farklı olduğunu görürüz. Örneğin, arkanızı dönüp telefonunuzu dünyanın diğer ucunda bulma olasılığınız neredeyse sıfırdır, ancak bu olasılık hala mevcuttur.

O zaman şu soru ortaya çıkıyor: Nasıl oluyor da bu tür vakalar henüz kayıt altına alınmıyor? Bu, olasılığın çok küçük olması ve insanlığın gezegenimizin ve tüm evrenin böyle bir olayı görmek için henüz yaşamadığı kadar uzun yıllar beklemesi gerekeceği gerçeğiyle açıklanmaktadır. Telefonunuzun tam olarak gördüğünüz yere gitme ihtimalinin neredeyse %100 olduğu ortaya çıktı.

Kuantum tünelleme

Buradan kuantum tünelleme kavramına gelebiliriz. Bu, herhangi bir dış etki olmaksızın, bir nesnenin (çok kabaca söylemek gerekirse) kademeli olarak tamamen farklı bir yere geçişi kavramıdır.

Yani, her şey bir nötronla başlayabilir ve bu nötron bir noktada tamamen farklı bir yerde olma olasılığının aynı neredeyse sıfırına düşer ve nötronlar farklı bir yerde ne kadar çok olursa olasılık da o kadar artar.

Elbette böyle bir geçiş, gezegenimizin henüz yaşamadığı kadar yıllar alacaktır ancak kuantum fiziği teorisine göre kuantum tünelleme gerçekleşir.

Ayrıca okuyun:

Muhtemelen bunu birçok kez duymuşsunuzdur kuantum fiziği ve kuantum mekaniğinin açıklanamayan gizemleri hakkında. Yasaları mistisizmi büyülüyor ve fizikçiler bile bunları tam olarak anlamadıklarını itiraf ediyorlar. Bir yandan bu yasaları anlamak ilginç ama diğer yandan fizik üzerine çok ciltli ve karmaşık kitapları okumaya zaman yok. Seni çok anlıyorum çünkü ben de bilgiyi ve gerçeği aramayı seviyorum ama tüm kitaplara ne yazık ki yeterli zaman yok. Yalnız değilsiniz, pek çok meraklı kişi arama çubuğuna şunu yazıyor: “aptallar için kuantum fiziği, aptallar için kuantum mekaniği, yeni başlayanlar için kuantum fiziği, yeni başlayanlar için kuantum mekaniği, kuantum fiziğinin temelleri, kuantum mekaniğinin temelleri, çocuklar için kuantum fiziği, kuantum Mekaniği nedir"..

Bu yayın tam size göre

• Kuantum fiziğinin temel kavramlarını ve paradokslarını anlayacaksınız. Makaleden öğreneceksiniz:
• Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği nedir?
• Girişim nedir?
• Kuantum Dolaşma (veya Aptallar için Kuantum Işınlanması) nedir? (makaleye bakın)

Schrödinger'in Kedisi düşünce deneyi nedir? (makaleye bakın)

Kuantum mekaniği kuantum fiziğinin bir parçasıdır.

Bu bilimleri anlamak neden bu kadar zor? Cevap basit: Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği (kuantum fiziğinin bir parçası) mikro dünyanın yasalarını inceliyor. Ve bu yasalar makrokozmomuzun yasalarından kesinlikle farklıdır. Bu nedenle mikrokozmostaki elektronlara ve fotonlara ne olacağını hayal etmek bizim için zor. Makro ve mikro dünyaların yasaları arasındaki farka bir örnek

: Makro dünyamızda, 2 kutudan birine bir top koyarsanız, bunlardan biri boş, diğerinde top olacaktır. Ancak mikrokozmosta (top yerine atom varsa) bir atom aynı anda iki kutuda bulunabilir. Bu deneysel olarak birçok kez doğrulandı. Bunu kafana takmak zor değil mi? Ama gerçekleri tartışamazsınız. Hızlı yarışan kırmızı bir spor arabanın fotoğrafını çektiniz ve fotoğrafta sanki araba fotoğrafın çekildiği sırada uzayda birkaç noktada bulunuyormuş gibi bulanık bir yatay şerit gördünüz. Fotoğrafta gördüklerinize rağmen, fotoğrafladığınız anda arabanın o saniyede bulunduğundan hala eminsiniz. uzayda belirli bir yerde. Mikro dünyada her şey farklıdır. Atomun çekirdeği etrafında dönen elektron aslında dönmez, fakat kürenin her noktasında aynı anda bulunur Bir atomun çekirdeğinin etrafında. Gevşek bir şekilde sarılmış kabarık yün topu gibi. Fizikte bu kavrama denir "elektronik bulut" .

Kısa bir gezi tarihin içine. Bilim adamları kuantum dünyası hakkında ilk kez 1900 yılında Alman fizikçi Max Planck'ın metallerin ısıtıldığında neden renk değiştirdiğini anlamaya çalıştığında düşündüler. Kuantum kavramını ortaya atan oydu. O zamana kadar bilim insanları ışığın sürekli hareket ettiğini düşünüyorlardı. Planck'ın keşfini ciddiye alan ilk kişi o zamanlar tanınmayan Albert Einstein'dı. Işığın sadece bir dalga olmadığını fark etti. Bazen bir parçacık gibi davranır. Einstein'ın aldığı Nobel Ödülü Işığın parçalar halinde, yani kuantumlar halinde yayıldığını keşfettiği için. Işığın kuantumuna foton denir ( foton, Vikipedi) .

Kuantum yasalarını anlamayı kolaylaştırmak için fizikçiler Ve mekanik (Wikipedia) Bir anlamda klasik fizik yasalarından aşina olduğumuz yasalardan soyutlamamız gerekiyor. Ve Alice gibi tavşan deliğine, Harikalar Diyarına daldığınızı hayal edin.

Ve işte çocuklar ve yetişkinler için bir çizgi film. Kuantum mekaniğinin 2 yarık ve bir gözlemci ile yapılan temel deneyini anlatır. Sadece 5 dakika sürer. Kuantum fiziğinin temel sorularına ve kavramlarına dalmadan önce onu izleyin.

Aptallar için kuantum fiziği videosu. Karikatürde gözlemcinin “gözüne” dikkat edin. Fizikçiler için ciddi bir gizem haline geldi.

Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği nedir?

Karikatürün başlangıcında, bir sıvı örneği kullanılarak dalgaların nasıl davrandığı gösterildi - yarıklı bir plakanın arkasındaki ekranda alternatif karanlık ve ışık beliriyor dikey çizgiler. Ve ayrı parçacıkların (örneğin çakıl taşları) plakaya "fırlatılması" durumunda, 2 yarıktan uçarlar ve yarıkların tam karşısındaki ekrana inerler. Ve ekranda yalnızca 2 dikey şerit “çiziyorlar”.

Işık girişimi- Bu, ekranda birçok alternatif parlak ve karanlık dikey şerit görüntülendiğinde ışığın "dalga" davranışıdır. Ayrıca bu dikey şeritler girişim deseni denir.

Makrokozmosumuzda ışığın dalga gibi davrandığını sıklıkla gözlemliyoruz. Elinizi bir mumun önüne koyarsanız, duvarda elinizin net bir gölgesi değil, bulanık konturları olacaktır.

Yani her şey o kadar da karmaşık değil! Işığın dalga doğasına sahip olduğu artık bizim için oldukça açık ve eğer 2 yarık ışıkla aydınlatılırsa arkalarındaki ekranda bir girişim deseni göreceğiz.

Şimdi 2. deneye bakalım. Bu ünlü Stern-Gerlach deneyidir (geçen yüzyılın 20'li yıllarında gerçekleştirildi).

Karikatürde anlatılan enstalasyon ışıkla parlatılmadı, elektronlarla (bireysel parçacıklar halinde) “vuruldu”. Daha sonra, geçen yüzyılın başında, dünyanın dört bir yanındaki fizikçiler, elektronların maddenin temel parçacıkları olduğuna ve dalga doğasına sahip olmaması, çakıl taşları ile aynı olması gerektiğine inanıyorlardı. Sonuçta elektronlar maddenin temel parçacıklarıdır, değil mi? Yani, onları çakıl taşları gibi 2 yarığa "atarsanız", yarıkların arkasındaki ekranda 2 dikey şerit görmeliyiz. Ama... Sonuç çarpıcıydı. Bilim adamları bir girişim deseni gördüler; birçok dikey şerit. Yani elektronlar da ışık gibi dalga yapısına sahip olabilir ve girişimde bulunabilir. Öte yandan, ışığın sadece bir dalga değil aynı zamanda küçük bir parçacık, bir foton olduğu da ortaya çıktı. tarihi bilgi

Yazının başında Einstein'ın bu keşfinden dolayı Nobel Ödülü'nü aldığını öğrenmiştik). Belki hatırlarsınız, okulda bize fizik dersinde şunlar söylenmişti:"dalga-parçacık ikiliği" ? Bu şu anlama gelir: Hakkında konuşuyoruz mikro dünyanın çok küçük parçacıkları (atomlar, elektronlar) hakkında, o zaman

Hem dalga hem de parçacıktırlar

Bugün sen ve ben çok akıllıyız ve yukarıda anlatılan 2 deneyin (elektronlarla çekim yapmak ve yarıkları ışıkla aydınlatmak) aynı şey olduğunu anlıyoruz. Çünkü kuantum parçacıklarını yarıklara fırlatıyoruz. Artık hem ışığın hem de elektronların kuantum yapısında olduğunu, aynı anda hem dalga hem de parçacık olduklarını biliyoruz. Ve 20. yüzyılın başında bu deneyin sonuçları sansasyon yarattı.

Dikkat! Şimdi daha incelikli bir konuya geçelim.

Muhtemelen bir elektron sol yuvaya, diğeri sağ yuvaya uçuyor. Ancak daha sonra ekranda yuvaların tam karşısında 2 dikey şerit görünmelidir. Neden bir girişim deseni oluşuyor? Belki elektronlar yarıklardan uçtuktan sonra ekranda zaten bir şekilde birbirleriyle etkileşime giriyordur. Ve sonuç bunun gibi bir dalga modelidir. Bunu nasıl takip edebiliriz?

Elektronları bir ışın halinde değil, teker teker atacağız. Atalım, bekleyelim, bir sonrakini atalım. Elektron artık tek başına uçtuğu için ekrandaki diğer elektronlarla etkileşime giremeyecektir. Atıştan sonra her elektronu ekrana kaydedeceğiz. Elbette bir veya iki tanesi bizim için net bir tabloyu “boyamayacak”. Ancak bunların çoğunu yarıklara teker teker gönderdiğimizde, şunu fark edeceğiz... ah, dehşet - yine bir girişim dalgası modeli "çizdiler"!

Yavaş yavaş delirmeye başlıyoruz. Sonuçta yuvaların karşısında 2 dikey şerit olmasını bekliyorduk! Fotonları teker teker fırlattığımızda, her birinin sanki aynı anda 2 yarıktan geçip kendi kendine müdahale ettiği ortaya çıktı.

Fantastik! Bir sonraki bölümde bu olguyu açıklamaya dönelim.

Spin ve süperpozisyon nedir?

Artık müdahalenin ne olduğunu biliyoruz. Bu, mikro parçacıkların (fotonlar, elektronlar, diğer mikro parçacıklar) dalga davranışıdır (basitlik açısından bunlara bundan sonra foton diyelim).

Deney sonucunda 1 fotonu 2 yarığa fırlattığımızda sanki iki yarıktan aynı anda uçuyor gibi olduğunu fark ettik. Aksi halde ekrandaki girişim desenini nasıl açıklayabiliriz?

• Peki bir fotonun iki yarıktan aynı anda uçtuğunu nasıl hayal edebiliriz? 2 seçenek var. 1. seçenek:
• bir dalga gibi (su gibi) bir foton aynı anda 2 yarıktan "yüzer" 2. seçenek:

bir foton, bir parçacık gibi, aynı anda 2 yörünge boyunca uçar (ikisi bile değil, hepsi aynı anda)

Prensip olarak bu ifadeler eşdeğerdir. “Yol integraline” ulaştık. Bu Richard Feynman'ın kuantum mekaniği formülasyonudur. Bu arada, tam olarak Richard Feynman çok bilinen bir ifade var

Hiç kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını rahatlıkla söyleyebiliriz.

Kesin olarak konuşursak, kuantum mekaniği bize bu foton davranışının istisna değil, kural olduğunu söylüyor. Herhangi bir kuantum parçacığı, kural olarak, aynı anda birden fazla durumda veya uzayda birkaç noktada bulunur.

Makro dünyanın nesneleri yalnızca belirli bir yerde ve belirli bir durumda olabilir. Ancak bir kuantum parçacığı kendi yasalarına göre var olur. Ve onları anlamamamızı umursamıyor bile. Önemli olan bu.

Bir aksiyom olarak, bir kuantum nesnesinin "süperpozisyonunun", onun aynı anda 2 veya daha fazla yörüngede, 2 veya daha fazla noktada olabileceği anlamına geldiğini kabul etmemiz gerekir.

Aynı şey başka bir foton parametresi olan spin (kendi açısal momentumu) için de geçerlidir. Spin bir vektördür. Kuantum nesnesi mikroskobik bir mıknatıs olarak düşünülebilir. Mıknatıs vektörünün (spin) yukarıya veya aşağıya doğru yönlendirildiği gerçeğine alışkınız. Ama elektron ya da foton bize yine şunu söylüyor: "Arkadaşlar, neye alıştığınız umurumuzda değil, aynı anda her iki dönüş durumunda da olabiliriz (vektör yukarı, vektör aşağı), tıpkı aynı anda 2 yörüngede olabileceğimiz gibi. aynı anda veya aynı anda 2 noktada!

"Ölçüm" veya "dalga fonksiyonu çöküşü" nedir?

“Ölçüm”ün ne olduğunu, “dalga fonksiyonu çöküşünün” ne olduğunu anlamamıza çok az şey kaldı.

Dalga fonksiyonu bir kuantum nesnesinin (fotonumuz veya elektronumuz) durumunun bir açıklamasıdır.

Diyelim ki bir elektronumuz var, kendi kendine uçuyor belirsiz bir durumda, dönüşü aynı anda hem yukarıya hem de aşağıya doğru yönlendirilir. Durumunu ölçmemiz gerekiyor.

kullanarak ölçelim manyetik alan: spini alan yönünde yönlendirilen elektronlar bir yönde sapacak ve spini alana karşı yönlendirilen elektronlar diğer yönde sapacaktır. Polarizasyon filtresine daha fazla foton yönlendirilebilir. Fotonun spini (polarizasyonu) +1 ise filtreden geçer, -1 ise geçemez.

Durmak! Burada kaçınılmaz olarak bir soruyla karşılaşacaksınız:Ölçümden önce elektronun belirli bir dönüş yönü yoktu, değil mi? Aynı anda tüm eyaletlerdeydi, değil mi?

Bu kuantum mekaniğinin hilesi ve hissi. Bir kuantum nesnesinin durumunu ölçmediğiniz sürece, herhangi bir yönde dönebilir (kendi açısal momentum vektörünün herhangi bir yönüne sahip olabilir - spin). Ancak şu anda onun durumunu ölçtüğünüzde, hangi spin vektörünü kabul edeceğine karar veriyor gibi görünüyor.

Bu kuantum nesnesi o kadar harika ki, durumu hakkında kararlar veriyor. Ve ölçtüğümüz manyetik alana uçtuğunda nasıl bir karar vereceğini önceden tahmin edemeyiz. Bir spin vektörünün "yukarı" veya "aşağı" olmasına karar verme olasılığı %50 ila 50'dir. Ancak karar verir vermez, belirli bir dönüş yönüne sahip, belirli bir duruma gelir. Kararının nedeni “boyutumuz”!

Buna " denir dalga fonksiyonunun çöküşü". Ölçümden önceki dalga fonksiyonu belirsizdi; Elektron spin vektörü aynı anda tüm yönlerdeydi; ölçümden sonra elektron, spin vektörünün belirli bir yönünü kaydetti.

Dikkat! Anlamak için mükemmel bir örnek, makrokozmostan gelen bir ilişkidir:

Masanın üzerinde topaç gibi bir bozuk para döndürün. Madeni para dönerken belirli bir anlamı yoktur; yazı veya tura. Ancak bu değeri "ölçmeye" karar verdiğinizde ve parayı elinizle vurduğunuzda, işte o zaman paranın spesifik durumunu (tura veya yazı) elde edersiniz. Şimdi bu madalyonun size hangi değeri "göstereceğine" karar verdiğini hayal edin: yazı mı yoksa tura mı? Elektron yaklaşık olarak aynı şekilde davranır.

Şimdi karikatürün sonunda gösterilen deneyi hatırlayın. Fotonlar yarıklardan geçerken dalga gibi davrandılar ve ekranda girişim deseni gösterdiler. Ve bilim insanları fotonların yarıktan uçma anını kaydetmek (ölçmek) istediklerinde ve ekranın arkasına bir "gözlemci" yerleştirdiklerinde, fotonlar dalga gibi değil parçacık gibi davranmaya başladı. Ve ekrana 2 dikey şerit “çizdiler”. Onlar. Ölçüm veya gözlem anında kuantum nesnelerinin kendisi hangi durumda olması gerektiğini seçer.

Fantastik! Değil mi?

Ama hepsi bu değil. Sonunda biz En ilginç kısma geldik.

Ama... bana öyle geliyor ki aşırı bilgi yükü olacak, bu yüzden bu 2 kavramı ayrı yazılarda ele alacağız:

• Ne oldu ?
• Düşünce deneyi nedir?

Şimdi, bilgilerin sıralanmasını istiyor musunuz? Kanada Teorik Fizik Enstitüsü tarafından hazırlanan belgeseli izleyin. 20 dakika içinde çok kısa ve kronolojik sıralama Planck'ın 1900'deki keşfinden başlayarak kuantum fiziğinin tüm keşifleri size anlatılacak. Ve sonra size şu anda kuantum fiziğindeki bilgilere dayanarak hangi pratik gelişmelerin yürütüldüğünü anlatacaklar: en kesin noktadan Atomik saat süper hızlı kuantum bilgisayar hesaplamalarına. Bu filmi izlemenizi şiddetle tavsiye ederim.

Görüşürüz!

Herkese tüm planları ve projeleri için ilham diliyorum!

P.S.2 Sorularınızı ve düşüncelerinizi yorumlara yazın. Kuantum fiziği ile ilgili başka hangi sorularla ilgileniyorsunuz?

P.S.3 Bloga abone olun - abonelik formu makalenin altındadır.

Aptallar için bir arabayı garanti veya kuantum fiziği kapsamında iade etmek.

Diyelim ki yıl 3006. “Bağlantılı”ya gidiyorsunuz ve 600 yıllık taksitlerle ekonomik bir Çin zaman makinesi satın alıyorsunuz. Bahisçinin ofisini yenmek için bir hafta öncesinden gizlice dolaşmak ister misin? Büyük bir ikramiye beklentisiyle, çılgınca mavi plastik kutuya varış tarihini yazarsınız...

Ve işte gülüş: İçinde Nikadim-kronon dönüştürücüsü anında yanıyor. Ölmek üzere olan bir gıcırtı yayan makine sizi 62342 yılına fırlatır. İnsanlık arkası dönük ve tıraşlı olarak ikiye bölündü ve uzak galaksilere dağıldı. Güneş uzaylılara satılmış, Dünya dev radyoaktif silikon solucanlar tarafından yönetiliyor. Atmosfer flor ve klor karışımıdır. Sıcaklık eksi 180 derece. Zemin aşındı ve yaklaşık on beş metre öteden florit kristallerinden oluşan bir uçurumun üzerine düşüyorsunuz. Son nefes verişinizde, anahtarlığınızdan zamanlar arası bir çağrı yapma sivil galaktik hakkınızı kullanırsınız. Kibar bir robotun size zaman makinesinin garantisinin 100 yıl olduğunu ve kendi zamanlarında tamamen çalışır durumda olduğunu söylediği ve 62342'de telaffuz edilemeyen milyonlarca kuruş aldığınız "Messenger" teknik destek merkezini arayın. insan konuşma mekanizması tarafından bir kez bile taksitle ödenmeyen.

Korusun ve kurtarın! Tanrım, bu tür olayların imkansız olduğu, bu yok edilmiş düşüş eğiliminde yaşadığımız için şükürler olsun!
...Yine de hayır! Sadece büyüklerin çoğu bilimsel keşiflerçeşitli bilim kurgu yazarlarının hayal ettiği kadar epik sonuçlar vermiyor.

Lazerler şehirleri ve gezegenleri yakmaz; bilgiyi kaydedip iletir ve okul çocuklarını eğlendirir. Nanoteknoloji, evreni kendi kendini kopyalayan bir nanobot sürüsüne dönüştürmez. Yağmurluğu daha su geçirmez, betonu ise daha dayanıklı hale getirirler. Atom bombası Denizde patlayan yıldız, hiçbir zaman hidrojen çekirdeklerinin termonükleer füzyonunun zincirleme reaksiyonunu başlatmadı ve bizi başka bir güneşe dönüştürmedi. Hadron Çarpıştırıcısı gezegeni tersyüz etmedi ya da tüm dünyayı bir kara deliğe sürüklemedi. Yapay zeka zaten yaratıldı, ancak yalnızca insanlığı yok etme fikriyle alay ediyor.
Time Machine bir istisna değildir. Gerçek şu ki, geçen yüzyılın ortasında yaratıldı. Kendi başına bir amaç olarak değil, yalnızca küçük, sıradan ama çok dikkat çekici bir cihaz yaratmak için bir araç olarak inşa edildi.

Bir zamanlar Profesör Dmitry Nikolaevich Grachev, yaratma konusuna çok şaşırmıştı. Etkili araçlar radyo radyasyonuna karşı koruma. İlk bakışta görev imkansız görünüyordu - cihazın her radyo dalgasına kendi radyo dalgasıyla yanıt vermesi ve aynı zamanda sinyal kaynağına hiçbir şekilde bağlı olmaması gerekiyordu (çünkü bu bir düşmandı). Dmitry Nikolaevich bir keresinde bahçede "yakartop" oynayan çocukları izlemişti. Topu en etkili şekilde atlatan en hızlı oyuncu oyunu kazanır. Bu, koordinasyonu ve en önemlisi topun yörüngesini tahmin etme yeteneğini gerektirir.

Tahmin etme yeteneği bilgi işlem kaynağı tarafından belirlenir. Ancak bizim durumumuzda bilgi işlem kaynaklarının arttırılması hiçbir şeye yol açmayacak. En modern süper bilgisayarlar bile bunun için yeterli hıza ve doğruluğa sahip olmayacaktır. Mikrodalga radyo dalgasının yarım döngüsü hızında kendiliğinden bir süreci tahmin etmekten bahsediyorduk.

Profesör çalıların arasına uçan topu alıp çocuklara geri fırlattı. Top zaten gelmişken neden nereye gideceğini tahmin edesiniz ki? Bir çözüm bulundu: Bilinmeyen giriş radyo sinyalinin özellikleri yakın gelecekte iyi biliniyor ve bunları hesaplamaya gerek yok. Onları doğrudan orada ölçmek yeterlidir. Ancak sorun şu ki, zamanda yolculuk yapmak bir nanosaniye için bile imkansızdır. Ancak eldeki görev için buna gerek yoktu. Yakın gelecekte cihazın hassas elemanının (transistörün) en azından kısmen olması yeterlidir. Ve burada yakın zamanda keşfedilen kuantum süperpozisyon olgusu imdada yetişti. Bunun anlamı, aynı parçacığın aynı anda farklı yer ve zamanlarda olabilmesidir.

Sonuç olarak Profesör Grachev kütle odaklı bir kuantum yarattı. elektron tuzağı- Elektronlarının bir kısmı gelecekte ve aynı zamanda şimdide olan bir yarı iletken çipin ilk kez yaratıldığı gerçek zamanlı bir makine. Aynı TMA'nın bir prototipi; Grachev rezonatörünü kontrol eden bir çip. Bu şeyin her zaman bir ayağının gelecekte olacağını söyleyebilirsiniz.

• Tercüme

Oxford Üniversitesi'nden fizikçi Owen Maroney'e göre kuantum teorisinin ortaya çıktığı 1900'lerden bu yana herkes teorinin tuhaflığından bahsediyor. Parçacıkların ve atomların aynı anda birden fazla yönde hareket etmesine veya aynı anda saat yönünde ve saat yönünün tersine dönmesine nasıl izin veriyor? Ama kelimeler hiçbir şeyi kanıtlayamaz. Maroney, "Halka kuantum teorisinin çok tuhaf olduğunu söylersek bu iddiayı deneysel olarak test etmemiz gerekir" diyor. "Aksi takdirde bilim yapmıyoruz, tahtadaki her türlü dalgalı çizgiden bahsediyoruz."

Bu, Maroney ve meslektaşlarını dalga fonksiyonunun özünü ortaya çıkarmak için yeni bir dizi deney geliştirmeye iten şeydi. gizemli varlık Kuantum tuhaflıklarının altında yatan şey bu. Kağıt üzerinde dalga fonksiyonu, psi (Ψ) (bu dalgalı çizgilerden biri) harfiyle gösterilen basit bir matematiksel nesnedir ve parçacıkların kuantum davranışını tanımlamak için kullanılır. Deneye bağlı olarak dalga fonksiyonu, bilim adamlarının belirli bir konumda bir elektron görme olasılığını veya dönüşünün yukarı veya aşağı doğru yönelme olasılığını hesaplamasına olanak tanır. Ancak matematik size bir dalga fonksiyonunun gerçekte ne olduğunu söylemez. Fiziksel bir şey mi? Yoksa gözlemcinin gerçek dünyaya ilişkin bilgisizliğiyle başa çıkmak için sadece hesaplamalı bir araç mı?

Bu soruyu cevaplamak için kullanılan testler çok incelikli ve henüz kesin bir cevap üretmiş değil. Ancak araştırmacılar sonun yaklaştığı konusunda iyimser. Ve onlarca yıldır herkese eziyet eden soruları nihayet cevaplayabilecekler. Bir parçacık gerçekten aynı anda birçok yerde olabilir mi? Evren sürekli olarak bölünüyor mu? Paralel Dünyalar, her birinde bizimki var alternatif versiyon? “Nesnel gerçeklik” diye bir şey gerçekten var mı?

Queensland Üniversitesi'nden (Avustralya) fizikçi Alessandro Fedricci, "Herkesin er ya da geç buna benzer soruları olacak" diyor. “Aslında gerçek olan ne?”

Gerçekliğin özüne ilişkin tartışmalar, fizikçilerin dalga ve parçacığın aynı madalyonun iki yüzü olduğunu keşfetmesiyle başladı. Klasik örnek– bireysel elektronların iki yarık bulunan bir bariyere fırlatıldığı çift yarık deneyi: elektron sanki aynı anda iki yarıktan geçiyormuş gibi davranarak diğer tarafında çizgili bir girişim deseni oluşturur. 1926 yılında Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger bu davranışı açıklamak için bir dalga fonksiyonu ortaya attı ve her durum için hesaplanabilecek bir denklem türetti. Ancak ne o ne de bir başkası bu fonksiyonun mahiyeti hakkında bir şey söyleyemedi.

Cehaletteki Lütuf

Pratik açıdan bakıldığında doğası önemli değildir. 1920'lerde Niels Bohr ve Werner Heisenberg tarafından oluşturulan kuantum teorisinin Kopenhag yorumu, dalga fonksiyonunu gerçekte ne olduğunu düşünmeye gerek kalmadan gözlemlerin sonuçlarını tahmin etmek için bir araç olarak kullanır. "Fizikçiler bu 'kapa çeneni ve say' davranışından dolayı suçlanamaz çünkü bu nükleer ve atom fiziği, fizik alanında önemli atılımlara yol açmıştır. sağlam ve parçacık fiziği” diyor Belçika Katolik Üniversitesi'nden istatistiksel fizikçi Jean Bricmont. "Bu yüzden insanlara temel konular hakkında endişelenmemeleri tavsiye ediliyor."

Ancak bazıları hâlâ endişeli. 1930'lara gelindiğinde Einstein, Kopenhag yorumunu reddetmişti; özellikle de iki parçacığın dalga fonksiyonlarını dolaştırmasına izin vermesi ve bu yorumun, aralarında çok büyük mesafeler olsa bile birinin ölçümlerinin anında diğerinin durumunu verebileceği bir duruma yol açması nedeniyle. mesafeler. Einstein, bu "uzaktan korkutucu etkileşim"le yüzleşmemek için parçacıkların dalga fonksiyonlarının eksik olduğuna inanmayı tercih etti. Parçacıkların, bir ölçümün sonucunu belirleyen, kuantum teorisinin fark etmediği bazı gizli değişkenlere sahip olmasının mümkün olduğunu söyledi.

O zamandan bu yana yapılan deneyler, gizli değişkenler kavramını reddeden, uzaktan korku dolu etkileşimin işlevselliğini gösterdi. ancak bu, diğer fizikçilerin bunları kendi yöntemleriyle yorumlamalarına engel olmadı. Bu yorumlar iki kampa ayrılır. Bazıları dalga fonksiyonunun bilgisizliğimizi yansıttığı konusunda Einstein'la aynı fikirde. Bunlar filozofların psi-epistemik modeller dediği şeylerdir. Bazıları ise dalga fonksiyonunu gerçek bir şey, yani psi-ontik modeller olarak görüyor.

Farkı anlamak için Schrödinger'in 1935'te Einstein'a yazdığı bir mektupta anlattığı düşünce deneyini hayal edelim. Kedi çelik bir kutunun içinde. Kutunun içinde bir saat içinde bozunma ürünü salma şansı %50 olan bir radyoaktif malzeme örneği ve bu ürünün tespit edilmesi halinde kediyi zehirleyecek bir makine bulunmaktadır. Çünkü radyoaktif bozunma- kuantum düzeyinde bir olay, diye yazıyor Schrödinger, kuantum teorisinin kuralları, saatin sonunda kutunun içindeki dalga fonksiyonunun ölü ve canlı bir kedinin karışımı olması gerektiğini söylüyor.

"Kabaca konuşursak," Fedricci bunu yumuşak bir ifadeyle ifade ediyor: "psi-epistemik modelde, kutudaki kedi ya canlı ya da ölüdür ve biz bunu bilmiyoruz çünkü kutu kapalıdır." Psiyonik modellerin çoğunda Kopenhag yorumuyla bir uyum vardır: Gözlemci kutuyu açana kadar kedi hem canlı hem de ölü olacaktır.

Ancak burada anlaşmazlık çıkmaza giriyor. Hangi yorum doğrudur? Bu soruyu deneysel olarak cevaplamak zordur çünkü modeller arasındaki farklar çok incedir. Aslında bunların çok başarılı Kopenhag yorumuyla aynı kuantum olgusunu tahmin etmeleri gerekiyor. Queensland Üniversitesi'nden fizikçi Andrew White, kuantum teknolojisindeki 20 yıllık kariyeri boyunca "bu problem, yaklaşamayacağınız hiçbir çıkıntısı olmayan devasa, pürüzsüz bir dağ gibiydi" diyor.

2011 yılında “dalga fonksiyonu bilgisizliği” yaklaşımını ortadan kaldırıyor gibi görünen kuantum ölçüm teoreminin yayınlanmasıyla her şey değişti. Ancak daha yakından incelendiğinde bu teoremin onlara manevra için yeterli alan bıraktığı ortaya çıktı. Ancak fizikçilere, dalga fonksiyonunun gerçekliğini test ederek bu anlaşmazlığı çözmenin yolları üzerinde ciddi şekilde düşünme konusunda ilham verdi. Maroney zaten prensipte işe yarayan bir deney tasarlamıştı ve o ve meslektaşları çok geçmeden bunu pratikte işe yarayacak bir yol buldular. Deney geçen yıl Fedrici, White ve diğerleri tarafından gerçekleştirildi.

Testin fikrini anlamak için iki deste kart hayal edin. Birinde sadece kırmızılar, diğerinde ise sadece aslar var. Aynı üniversiteden fizikçi Martin Ringbauer, "Size bir kart veriliyor ve bu kartın hangi desteden geldiğini belirlemeniz isteniyor" diyor. Eğer kırmızı as ise, "bir geçiş olacak ve bundan emin olamazsınız." Ancak her destede kaç kart olduğunu biliyorsanız bu belirsiz durumun ne sıklıkta ortaya çıkacağını hesaplayabilirsiniz.

Fizik tehlikede

Aynı belirsizlik kuantum sistemlerinde de yaşanıyor. Örneğin bir fotonun ne kadar polarize olduğunu tek bir ölçümle bulmak her zaman mümkün değildir. White, "Gerçek hayatta batı ile batının hemen güneyindeki yön arasında ayrım yapmak kolaydır, ancak kuantum sistemlerinde bu o kadar kolay değildir" diyor. Standart Kopenhag yorumuna göre, sorunun bir cevabı olmadığı için kutuplaşma hakkında soru sormanın bir anlamı yok - ta ki bir ölçüm daha cevabı tam olarak belirleyene kadar. Ancak cehalet olarak dalga fonksiyonu modeline göre soru mantıklıdır; sadece deney, tıpkı kart desteleri gibi, bilgiden yoksundur. Haritalarda olduğu gibi, ne kadar belirsiz durumun bu tür bilgisizlikle açıklanabileceğini tahmin etmek ve bunları standart teori tarafından çözülen çok sayıda belirsiz durumla karşılaştırmak mümkündür.

Bu tam olarak Fedrici ve ekibinin test ettiği şeydi. Ekip, foton ışınındaki polarizasyonu ve diğer özellikleri ölçtü ve "cehalet" modelleriyle açıklanamayan kesişme seviyelerini buldu. Sonuç alternatif bir teoriyi destekliyor; eğer nesnel gerçeklik varsa, o zaman dalga fonksiyonu da vardır. "Ekibin bu sorunu çözebilmesi etkileyici zor görev ne kadar basit bir deney” diyor Bonn Üniversitesi'nden (Almanya) fizikçi Andrea Alberti.

Sonuç henüz kesinleşmiş değil: Dedektörler testte kullanılan fotonların yalnızca beşte birini yakalayabildiğinden, kayıp fotonların da aynı şekilde davrandığını varsaymamız gerekiyor. Bu güçlü bir varsayım ve ekip şu anda kayıpları azaltmak ve daha kesin bir sonuç elde etmek için çalışıyor. Bu arada Maroney'nin Oxford'daki ekibi, deneyi takip edilmesi daha kolay iyonlarla tekrarlamak için Avustralya'daki New South Wales Üniversitesi ile birlikte çalışıyor. Maroney, "Önümüzdeki altı ay içinde bu deneyin nihai versiyonunu elde edeceğiz" diyor.

Ancak başarılı olsalar ve “gerçeklik olarak dalga fonksiyonu” modelleri kazansa bile, o zaman bu modeller de var. farklı varyantlar. Deneycilerin bunlardan birini seçmesi gerekecek.

İlk yorumlardan biri 1920'lerde Fransız Louis de Broglie tarafından yapıldı ve 1950'lerde Amerikalı David Bohm tarafından genişletildi. Broglie-Bohm modellerine göre parçacıkların belirli bir konumu ve özellikleri vardır ancak bunlar, dalga fonksiyonu olarak tanımlanan belirli bir "pilot dalga" tarafından yönlendirilirler. Bu, iki yarık deneyini açıklıyor; çünkü pilot dalga her iki yarıktan da geçebilir ve bir girişim deseni oluşturabilir, ancak onun tarafından çekilen elektronun kendisi iki yarıktan yalnızca birinden geçebilir.

2005 yılında bu model beklenmedik bir destek aldı. Şu anda Paris'teki Langevin Enstitüsü'nde bulunan fizikçi Emmanuel Fort ve Paris Diderot Üniversitesi'nden Yves Caudier, öğrencilere basit olduğunu düşündükleri bir problem verdiler: Bir tepsiye düşen yağ damlacıklarının, tepsinin titreşimleri nedeniyle birleşeceği bir deney düzenlediler. tepsi. Herkesi şaşırtacak şekilde, tepsi belirli bir frekansta titreştiğinden damlacıkların etrafında dalgalar oluşmaya başladı. Fort, "Damlacıklar kendi dalgaları üzerinde bağımsız olarak hareket etmeye başladı" diyor. "Bu ikili bir nesneydi; bir dalga tarafından çekilen bir parçacık."

Fort ve Caudier o zamandan beri bu tür dalgaların çift yarık deneyinde parçacıklarını tam olarak pilot dalga teorisinin öngördüğü gibi iletebildiğini ve diğer kuantum etkilerini yeniden üretebildiğini gösterdi. Ancak bu, kuantum dünyasında pilot dalgaların varlığını kanıtlamaz. Fort, "Bize bu tür etkilerin klasik fizikte imkansız olduğu söylendi" diyor. "Ve burada neyin mümkün olduğunu gösterdik."

1980'lerde geliştirilen bir başka gerçekliğe dayalı model seti, büyük ve küçük nesneler arasındaki özelliklerdeki büyük farklılıkları açıklamaya çalışıyor. Trieste Üniversitesi'nden (İtalya) fizikçi Angelo Basi, "Neden elektronlar ve atomlar aynı anda iki yerde olabiliyor da masalar, sandalyeler, insanlar ve kediler yapamıyor" diyor. "Çöküş modelleri" olarak bilinen bu teoriler, tek tek parçacıkların dalga fonksiyonlarının gerçek olduğunu ancak özelliklerini kaybedebileceğini söylüyor. kuantum özellikleri ve parçacığı uzayda belirli bir konuma getirin. Modeller, tek bir parçacık için böyle bir çökme olasılığının son derece küçük olacağı ve böylece atom düzeyinde kuantum etkilerinin hakim olacağı şekilde tasarlanmıştır. Ancak parçacıklar birleştikçe çökme olasılığı hızla artar ve makroskobik nesneler kuantum özelliklerini tamamen kaybederek klasik fizik yasalarına göre davranır.

Bunu test etmenin bir yolu büyük nesnelerdeki kuantum etkilerini aramaktır. Eğer standart kuantum teorisi doğruysa, o zaman boyutta bir sınır yoktur. Ve fizikçiler zaten büyük molekülleri kullanarak bir çift yarık deneyi gerçekleştirdiler. Ancak çökme modelleri doğruysa belirli bir kütlenin üzerinde kuantum etkileri görülmeyecektir. Farklı gruplar bu kütleyi soğuk atomlar, moleküller, metal kümeleri ve nanopartiküller kullanarak aramayı planlıyor. Önümüzdeki on yıl içinde sonuçları keşfetmeyi umuyorlar. "Bu deneylerin güzel tarafı, kuantum teorisi doğru testler Henüz test edilmedi” diyor Maroney.

Paralel Dünyalar

Bir "gerçeklik olarak dalga fonksiyonu" modeli, bilim kurgu yazarları tarafından zaten bilinmekte ve sevilmektedir. Bu, o zamanlar New Jersey'deki Princeton Üniversitesi'nde öğrenci olan Hugh Everett tarafından 1950'lerde geliştirilen birçok dünyalar yorumudur. Bu modelde dalga fonksiyonu gerçekliğin gelişimini o kadar güçlü bir şekilde belirliyor ki, her kuantum ölçümünde Evren paralel dünyalara ayrılıyor. Başka bir deyişle, kedili bir kutuyu açtığımızda, biri ölü kedili, diğeri canlı olan iki Evren doğururuz.

Bu yorumu standart kuantum teorisinden ayırmak zordur çünkü tahminleri aynıdır. Ancak geçen yıl Brisbane'deki Griffith Üniversitesi'nden Howard Wiseman ve meslektaşları çoklu evrenin test edilebilir bir modelini önerdiler. Modellerinde dalga fonksiyonu yoktur; parçacıklar klasik fiziğe, Newton yasalarına uyarlar. Ve kuantum dünyasının garip etkileri, paralel evrenlerdeki parçacıklar ve onların klonları arasında itici güçler olduğu için ortaya çıkıyor. Wiseman, "Aralarındaki itici güç, paralel dünyalara yayılan dalgalar yaratıyor" diyor.

41 evrenin etkileşime girdiği bir bilgisayar simülasyonu kullanarak, modelin, çift yarık deneyindeki parçacıkların yörüngeleri de dahil olmak üzere çeşitli kuantum etkilerini kabaca yeniden ürettiğini gösterdiler. Dünya sayısı arttıkça girişim deseni gerçek olana doğru yönelir. Wiseman, teorinin tahminlerinin dünya sayısına bağlı olarak değişiklik gösterdiğinden, çoklu evren modelinin doğru olup olmadığını, yani dalga fonksiyonunun olmadığını ve gerçekliğin klasik yasalara göre işleyip işlemediğini test etmenin mümkün olduğunu söylüyor.

Bu modelde dalga fonksiyonuna ihtiyaç duyulmadığından, gelecekteki deneyler "cehalet" modellerini dışlasa bile, bu model geçerli kalacaktır. Bunun yanı sıra, başka modeller de varlığını sürdürecek; örneğin Kopenhag yorumu, hiçbir şeyin olmadığını iddia ediyor. Nesnel gerçeklik, ancak yalnızca hesaplamalar vardır.

Ancak daha sonra White, bu sorunun çalışmanın nesnesi haline geleceğini söylüyor. Henüz kimse bunun nasıl yapılacağını bilmiyor olsa da "gerçekten ilginç olan şey, nesnel bir gerçekliğe sahip olup olmadığımızı test edecek bir test geliştirmek olurdu."