Ingen i denne verden forstår hva kvantemekanikk er. Dette er kanskje det viktigste du trenger å vite om henne. Selvfølgelig har mange fysikere lært å bruke lover og til og med forutsi fenomener basert på kvanteberegning. Men det er fremdeles uklart hvorfor observatøren av eksperimentet bestemmer atferden til systemet og får det til å ta en av to tilstander.
Her er noen eksempler på eksperimenter med resultater som uunngåelig vil endre seg under påvirkning av observatøren. De viser at kvantemekanikk praktisk talt tar for seg innblanding av bevisst tanke i materiell virkelighet.
Det er mange tolkninger av kvantemekanikk i dag, men København-tolkningen er kanskje den mest berømte. På 1920-tallet ble dens generelle postulater formulert av Niels Bohr og Werner Heisenberg.
København-tolkningen er basert på bølgefunksjonen. Det er en matematisk funksjon som inneholder informasjon om alle mulige tilstander i et kvantesystem der det eksisterer samtidig. I følge København-tolkningen kan tilstanden til et system og dens posisjon i forhold til andre tilstander bare bestemmes av observasjon (bølgefunksjonen brukes bare til å matematisk beregne sannsynligheten for å finne et system i en eller annen tilstand).
Vi kan si at kvantesystemet etter observasjon blir klassisk og umiddelbart slutter å eksistere i andre tilstander enn det det ble observert i. Denne konklusjonen fant motstanderne (husk den berømte Einsteins "Gud spiller ikke terninger"), men nøyaktigheten til beregninger og spådommer hadde fremdeles sine egne.
Likevel synker antallet tilhengere av tolkningen i København, og hovedårsaken til dette er den mystiske øyeblikkelige kollaps av bølgefunksjonen under eksperimentet. Erwin Schrödingers berømte tankeeksperiment med en fattig katt skulle demonstrere absurditeten til dette fenomenet. La oss huske detaljene.
Inni den svarte boksen sitter en svart katt og med den en flaske gift og en mekanisme som tilfeldig kan frigjøre gift. For eksempel kan et radioaktivt atom bryte en boble under forfall. Den eksakte forfallstiden for atomet er ukjent. Bare halveringstiden er kjent, hvor forfall forekommer med en sannsynlighet på 50%.
For en utenforstående observatør er katten åpenbart i boksen i to tilstander: den er enten i live hvis alt gikk bra, eller død hvis forfallet har skjedd og flasken har brutt. Begge disse tilstandene er beskrevet av bølgefunksjonen til katten, som endrer seg over tid.
Salgsfremmende video:
Jo mer tid har gått, desto mer sannsynlig er det at radioaktivt forfall har skjedd. Men så snart vi åpner boksen, kollapser bølgefunksjonen, og vi ser umiddelbart resultatene av dette umenneskelige eksperimentet.
Faktisk, til observatøren åpner boksen, vil katten uendelig balansere mellom liv og død, eller vil være levende og død på samme tid. Dens skjebne kan bare bestemmes av en observatørs handlinger. Denne absurditeten ble påpekt av Schrödinger.
1. Diffraksjon av elektroner
Ifølge en undersøkelse av berømte fysikere av The New York Times, er elektrondiffraksjonseksperimentet en av de mest fantastiske studiene i vitenskapens historie. Hva er dens natur? Det er en kilde som sender ut en elektronstråle til en lysfølsom skjerm. Og det er en hindring i veien for disse elektronene, en kobberplate med to spalter.
Hva slags bilde kan du forvente på en skjerm hvis elektroner vanligvis blir presentert for oss som små ladede baller? To striper overfor sporene i kobberplaten. Men i virkeligheten vises et mye mer sammensatt mønster av vekslende hvite og svarte striper på skjermen. Dette skyldes det faktum at når de passerer gjennom spalten, begynner elektronene å oppføre seg ikke bare som partikler, men også som bølger (fotoner eller andre lyspartikler oppfører seg på samme måte, som kan være en bølge på samme tid).
Disse bølgene samvirker i rommet, kolliderer og forsterker hverandre, og som et resultat vises et komplekst mønster av vekslende lys og mørke striper på skjermen. Samtidig endres ikke resultatet av dette eksperimentet, selv om elektroner passerer én etter én - selv en partikkel kan være en bølge og passere samtidig gjennom to spalter. Dette postulatet var en av de viktigste i København-tolkningen av kvantemekanikken, når partikler samtidig kan demonstrere deres "vanlige" fysiske egenskaper og eksotiske egenskaper som en bølge.
Men hva med observatøren? Det er han som gjør denne sammenfiltrede historien enda mer forvirrende. Da fysikere under slike eksperimenter prøvde å bestemme ved hjelp av instrumenter, gjennom hvilke spalten elektronet passerer gjennom, forandret bildet på skjermen seg dramatisk og ble "klassisk": med to opplyste seksjoner strengt overfor spaltene, uten vekslende striper.
Elektronene virket motvillige til å avsløre sin bølgende natur for observatørene. Det ser ut som et mysterium innhyllet i mørket. Men det er også en enklere forklaring: overvåking av systemet kan ikke utføres uten å påvirke det fysisk. Vi vil diskutere dette senere.
2. Oppvarmede fullerener
Partikkeldiffraksjonsforsøk ble utført ikke bare med elektroner, men også med andre, mye større gjenstander. For eksempel brukte de fullerener, store og lukkede molekyler bestående av flere titalls karbonatomer. Nylig prøvde en gruppe forskere fra Universitetet i Wien, ledet av professor Zeilinger, å innlemme et element av observasjon i disse eksperimentene. For å gjøre dette, bestrålte de de bevegelige fullerenmolekylene med laserstråler. Deretter, oppvarmet av en ekstern kilde, begynte molekylene å gløde og uunngåelig vise sin tilstedeværelse for observatøren.
Sammen med denne innovasjonen har også oppførselen til molekyler endret seg. Før starten av en så omfattende observasjon, var fullerenes ganske vellykket med å unngå hindringer (utviser bølgelegenskaper), likt det forrige eksempelet med elektroner som treffer en skjerm. Men med nærvær av en observatør, begynte fullerenes å oppføre seg som fullstendig lovlydige fysiske partikler.
3. Kjøledimensjon
En av de mest kjente lovene i kvantefysikkens verden er Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, hvorved det er umulig å bestemme hastigheten og plasseringen av et kvanteobjekt på samme tid. Jo mer nøyaktig vi måler momentumet til en partikkel, desto mindre nøyaktig kan vi måle dens posisjon. Imidlertid, i vår makroskopiske virkelige verden, går gyldigheten av kvantelovene som virker på ørsmå partikler vanligvis upåaktet.
De nylige eksperimentene av professor Schwab fra USA gir et veldig verdifullt bidrag til dette området. Kvanteeffekter i disse eksperimentene ble ikke vist på nivået av elektroner eller fullerenmolekyler (med en omtrentlig diameter på 1 nm), men på større gjenstander, et bittelitt aluminiumsbånd. Dette båndet var festet på begge sider, slik at midten var i suspendert tilstand og kunne vibrere under ytre påvirkning. I tillegg ble det plassert en enhet i nærheten som nøyaktig kunne registrere båndets plassering. Eksperimentet avdekket flere interessante ting. For det første påvirket enhver måling relatert til posisjonen til objektet og observasjon av båndet den, etter hver måling endret båndets plassering.
Eksperimentørene bestemte koordinatene til båndet med høy presisjon, og endret dermed, i samsvar med Heisenberg-prinsippet, hastigheten og dermed den påfølgende posisjonen. For det andre, ganske uventet, førte noen målinger til en avkjøling av båndet. Dermed kan observatøren endre de fysiske egenskapene til objekter ved sin blotte tilstedeværelse.
4. Frysepartikler
Som du vet, forfaller ustabile radioaktive partikler ikke bare i eksperimenter med katter, men også av seg selv. Hver partikkel har en gjennomsnittlig levetid, som, som det viser seg, kan øke under en observatørs vakte øye. Denne kvanteeffekten ble spådd allerede på 1960-tallet, og dens strålende eksperimentelle bevis dukket opp i en artikkel publisert av en gruppe ledet av Nobelprisvinnende fysiker Wolfgang Ketterle fra MIT.
I dette arbeidet ble forfallet av ustabile eksiterede rubidiumatomer studert. Umiddelbart etter klargjøring av systemet ble atomene begeistret ved hjelp av en laserstråle. Observasjonen fant sted i to moduser: kontinuerlig (systemet ble konstant utsatt for små lyspulser) og pulset (systemet ble bestrålet med kraftigere pulser fra tid til annen).
Resultatene som ble oppnådd var i full overensstemmelse med teoretiske forutsigelser. Eksterne lyseffekter bremser forfallet av partikler, og fører dem tilbake til sin opprinnelige tilstand, som er langt fra forfallstilstanden. Størrelsen på denne effekten var også i tråd med prognosene. Den maksimale levetiden for ustabile eksiterede rubidiumatomer økte 30 ganger.
5. Kvantemekanikk og bevissthet
Elektroner og fullerener slutter å vise bølgeegenskapene sine, aluminiumsplater kjøler seg ned, og ustabile partikler bremser forfallet. Det våkne øye fra betrakteren forandrer bokstavelig talt verden. Hvorfor kan ikke dette være et bevis på at hjernen vår er involvert i verdens virke? Kanskje hadde Carl Jung og Wolfgang Pauli (østerriksk fysiker, nobelprisvinner, pioner innen kvantemekanikk) tross alt rett når de sa at lovene om fysikk og bevissthet burde sees på som komplementære til hverandre?
Vi er ett skritt unna å erkjenne at verden rundt oss bare er et illusorisk produkt av tankene våre. Ideen er skummel og fristende. La oss prøve å henvende oss til fysikere igjen. Spesielt de siste årene, når færre og færre mennesker tror Københavns tolkning av kvantemekanikken, med dens kryptiske bølgefunksjon, kollapser, og refererer til en mer dagligdags og pålitelig dekoherens.
Poenget er at i alle disse eksperimentene med observasjoner påvirket eksperimentene uunngåelig systemet. De tente den med en laser og installerte måleenheter. De ble forent etter et viktig prinsipp: du kan ikke observere et system eller måle dets egenskaper uten å samhandle med det. Enhver interaksjon er en prosess med å endre egenskaper. Spesielt når et lite kvantesystem blir utsatt for kolossale kvanteobjekter. Noen evig nøytral buddhistisk observatør er i prinsippet umulig. Og her kommer begrepet "decoherence" inn i bildet, som er irreversibelt fra termodynamikkens synspunkt: kvanteegenskapene til et system endres når de interagerer med et annet stort system.
Under dette samspillet mister kvantesystemet sine opprinnelige egenskaper og blir klassisk, som om å "adlyde" et stort system. Dette forklarer også paradokset til Schrödingers katt: katten er et for stort system, så den kan ikke isoleres fra resten av verden. Selve utformingen av dette tankeeksperimentet er ikke helt riktig.
I alle fall, hvis vi antar realiteten av skapelseshandlingen ved bevissthet, virker dekoherens å være en mye mer praktisk tilnærming. Kanskje til og med for praktisk. Med denne tilnærmingen blir hele den klassiske verden en stor konsekvens av dekoherens. Og som forfatteren av en av de mest kjente bøkene på feltet uttalte, fører denne tilnærmingen logisk til utsagn som "det er ingen partikler i verden" eller "det er ingen tid på et grunnleggende nivå."
Er det sant i en skaper-observatør eller i kraftig decoherence? Vi må velge mellom to onder. Likevel blir forskere stadig mer overbevist om at kvanteeffekter er en manifestasjon av våre mentale prosesser. Og hvor observasjonen slutter og virkeligheten begynner, avhenger av hver enkelt av oss.
Basert på materialer fra topinfopost.com
