في فيزياء الكم ، يجب على المرء أن يقول ذلك. هناك علاقة غريبة بين الوعي البشري وفيزياء الكم

يمكن أن تلقي تجربة جديدة الضوء على الميكانيكا الخفية المفاجئة للتراكب الكمومي.

تراكب- مفهوم أن الأشياء الصغيرة يمكن أن توجد في عدة أماكن أو حالات في نفس الوقت - هو حجر الزاوية في فيزياء الكم. تحاول تجربة جديدة تسليط الضوء على هذه الظاهرة الغامضة.

السؤال الرئيسي في ميكانيكا الكم ، الذي لا يعرف أحد إجابته: ما الذي يحدث بالفعل في التراكب - نوع من الحالة التي تكون فيها الجسيمات في مكانين أو أكثر أو حالات في نفس الوقت؟ اقترحت مجموعة من الباحثين من إسرائيل واليابان تجربة ستسمح لنا أخيرًا بمعرفة شيء دقيق عن طبيعة هذه الظاهرة الغامضة.

تجربتهم ، التي يقول الباحثون إنها يمكن إجراؤها في غضون أشهر ، يجب أن تسمح للعلماء بفهم مكان وجود الجسم - في الحالة المحددة ، جسيم من الضوء يسمى الفوتون - في الواقع عندما يكون في حالة تراكب. ويتوقع الباحثون أن الإجابة ستكون أكثر غرابة وأكثر إثارة للصدمة من "مكانين في وقت واحد".

من الأمثلة الكلاسيكية على التراكب إطلاق الفوتونات عبر شقين متوازيين في حاجز. أحد الجوانب الأساسية لميكانيكا الكم هو أن الجسيمات الصغيرة يمكن أن تتصرف مثل الموجات ، بحيث "تتداخل" تلك الجسيمات التي تمر عبر شق واحد مع أولئك الذين يمرون عبر شق آخر ، وتموجاتها المتموجة ، وتضخم أو تغير بعضها البعض ، مما يخلق بنية مميزة على الكاشف شاشة. لكن الشيء الغريب هو أن هذا التداخل يحدث حتى لو تم إطلاق جسيم واحد فقط في كل مرة. يبدو أن الجسيم يمر عبر كلا الشقين في وقت واحد. هذا هو التراكب.

وهذا غريب جدًا: قياس الشق الذي يمر به الجسيم يشير دائمًا إلى أنه يمر عبر شق واحد فقط ، وفي هذه الحالة ، يختفي تداخل الموجة ("الكم" ، إذا أردت). يبدو أن فعل القياس ذاته "يدمر" التراكب. " نحن نعلم أن شيئًا غريبًا يحدث في التراكبيقول الفيزيائي أفشالوم إليتسر من معهد إسرائيل للدراسات المتقدمة. "لكن لا يمكنك قياسه. هذا ما يجعل ميكانيكا الكم غامضة للغاية ".

على مدى عقود ، توقف الباحثون عند هذا المأزق الواضح. لا يمكنهم القول بالضبط ما هو التراكب دون ملاحظته ؛ ولكن إذا حاولوا النظر إليه ، فسوف يختفي. يقترح أحد الحلول الممكنة ، الذي طوره معلم إليتزور السابق ، الفيزيائي الإسرائيلي ياكير أهارونوف في جامعة تشابمان ومعاونيه ، طريقة لتعلم شيء عن الجسيمات الكمومية قبل القياس. يُطلق على نهج أهارون اسم شكليات الحالتين (TSVF) لميكانيكا الكم ، ويتم تحديد افتراضات الأحداث الكمومية من خلال الحالات الكمية ليس فقط في الماضي ولكن أيضًا في المستقبل. أي أن TSVF تفترض أن ميكانيكا الكم تعمل بنفس الطريقة للأمام وللخلف في الوقت المناسب. من وجهة النظر هذه ، يبدو أن الأسباب قادرة على الانتشار إلى الوراء مع الزمن ، والظهور بعد التأثيرات.

لكن هذا المفهوم الغريب لا ينبغي أن يؤخذ حرفياً. على الأرجح ، في TSVF ، يمكن للمرء أن يحصل على معرفة بأثر رجعي لما حدث في نظام كمي: بدلاً من مجرد قياس مكان انتهاء الجسيم ، يختار الباحث مكانًا محددًا للبحث. وهذا ما يسمى بالاختيار اللاحق ، وهو يوفر معلومات أكثر من أي عرض غير مشروط للنتائج. هذا يرجع إلى حقيقة أن حالة الجسيم في أي لحظة يتم تقييمها بأثر رجعي في ضوء تاريخها بالكامل حتى القياس ، بما في ذلك القياس. اتضح أن الباحث - ببساطة عن طريق اختيار نتيجة معينة للبحث - يصل إلى استنتاج مفاده أن النتيجة يجب أن تحدث. إنه يشبه إلى حد ما إذا قمت بتشغيل التلفزيون في الوقت الذي يجب أن يتم فيه بث برنامجك المفضل ، ولكن تصرفك نفسه يتسبب في بث هذا البرنامج في تلك اللحظة بالذات. يقول ديفيد والاس ، فيلسوف العلوم بجامعة جنوب كاليفورنيا والمتخصص في تفسير ميكانيكا الكم: "من المقبول عمومًا أن TSVF مكافئ رياضيًا لميكانيكا الكم القياسية". لكنه يؤدي إلى عدم رؤية بعض الأشياء بشكل مختلف.

خذ ، على سبيل المثال ، نسخة مختلفة من التجربة التي مدتها ثانيتان والتي طورها أهارونوف والمتعاون ليف فايدمان في عام 2003 ، والتي فسروها باستخدام TSVF. وصف الزوجان (لكنهما لم يبنيا) نظامًا ضوئيًا يعمل فيه فوتون واحد "مصراعًا" يغلق الشق ، مما يتسبب في اقتراب فوتون آخر "سبر" من الشق لينعكس كما ظهر. بعد قياس الفوتون الاختباري ، كما أوضح أخارونوف وفيدمان ، يمكن للمرء أن يلاحظ صورة المصراع في تراكب يقوم في نفس الوقت بإغلاق (أو حتى العديد بشكل عشوائي) من الشقوق في وقت واحد. بعبارة أخرى ، هذه التجربة الفكرية من الناحية النظرية ستجعل من الآمن القول أن فوتون البوابة موجود "هنا" و "هناك" في نفس الوقت. على الرغم من أن هذا الموقف يبدو متناقضًا من تجربتنا اليومية ، إلا أنه أحد الجوانب المدروسة جيدًا لما يسمى بالخصائص "غير المحلية" للجسيمات الكمومية ، حيث تتلاشى الفكرة الكاملة للموضع المحدد جيدًا في الفضاء.

في عام 2016 ، أكد الفيزيائيان Ryo Okamoto و Shigeki Takeuchi من جامعة كيوتو بشكل تجريبي تنبؤات Aharonov و Weidman باستخدام دائرة موجهة ضوئيًا يتم فيها إنشاء التصوير باستخدام جهاز التوجيه الكمومي ، وهو جهاز يسمح لفوتون واحد بالتحكم في مسار آخر. يقول إلياهو كوهين ، زميل إليتزور من جامعة أوتاوا في أونتاريو: "كانت هذه تجربة رائدة سمحت لنا بتحديد الموقع المتزامن لجسيم في مكانين".

الآن تعاون Elitzur و Koen مع Okamoto و Takeuchi للتوصل إلى تجربة أكثر إثارة للعقل. وهم يعتقدون أن هذا سيسمح للباحثين بمعرفة المزيد على وجه اليقين عن موقع الجسيم في تراكب في سلسلة من نقاط زمنية مختلفة قبل إجراء أي قياسات فعلية.

هذه المرة سيتم تقسيم مسار فوتون المسبار إلى ثلاثة أجزاء بواسطة المرايا. على طول كل من هذه المسارات ، يمكن أن تتفاعل مع فوتون البوابة في حالة التراكب. يمكن اعتبار هذه التفاعلات على أنها تتم في مربعات معنونة A و B و C ، يقع كل منها على طول كل من مسارات الفوتون الثلاثة الممكنة. من خلال النظر في التداخل الذاتي لفوتون المسبار ، سيكون من الممكن الاستنتاج بأثر رجعي على وجه اليقين أن جسيم البوابة كان في صندوق معين في وقت معين.

صُممت التجربة بطريقة تسمح لفوتون المسبار فقط بإظهار التداخل في حالة التفاعل مع فوتون البوابة في تسلسل معين من الأماكن والأوقات: أي إذا كان فوتون البوابة في كلا الكتلتين A و C في وقت ما (t1) ، ثم في وقت لاحق (t2) - فقط عند C وحتى بعد ذلك (t3) - عند B و C. وبالتالي ، فإن التداخل في فوتون الفحص سيكون المؤشر الأخير على أن فوتون البوابة يمر بالفعل من خلاله ظاهرة التسلسل الغريبة هذه بين الصناديق في أوقات مختلفة هي فكرة Elitzur و Cohen و Aharonov ، الذين اقترحوا العام الماضي أن يمر جسيم واحد في نفس الوقت من خلال ثلاثة مربعات. يقول الفيزيائي كين وارتون من جامعة ولاية سان خوسيه ، والذي لم يشارك في المشروع الجديد: "أحب الطريقة التي يطرح بها هذا المقال أسئلة حول ما يحدث من حيث التواريخ الكاملة ، وليس الحالات الآنية". "الحديث عن" الدول "هو تحيز قديم واسع الانتشار ، بينما تميل القصص الكاملة إلى أن تكون أكثر ثراءً وإثارة للاهتمام.

هذا هو بالضبط ما يدعي Elitzur أن تجربة TSVF الجديدة تتيح الوصول إليه. يشير الاختفاء الواضح للجسيمات في مكان واحد في كل مرة - وعودة ظهورها في أماكن وأزمنة أخرى - إلى رؤية جديدة وغير عادية للعمليات الأساسية المرتبطة بالوجود غير المحلي للجسيمات الكمومية. يقول إليتزور إنه بفضل عدسة TSVF ، يمكن فهم هذا الوجود المتلألئ والمتغير باستمرار على أنه سلسلة من الأحداث التي يتم فيها "إلغاء" وجود جسيم في مكان ما بطريقة ما من خلال "جانبه المقابل" في نفس المكان . يقارن هذا بمفهوم قدمه الفيزيائي البريطاني بول ديراك في عشرينيات القرن الماضي ، والذي جادل في أن الجسيمات لها جسيمات مضادة ، وإذا تم تجميعها معًا ، يمكن للجسيم والجسيم المضاد أن يبيد بعضهما البعض. بدت هذه الصورة في البداية وكأنها مجرد طريقة للتحدث ، لكنها سرعان ما أدت إلى اكتشاف المادة المضادة. إن اختفاء الجسيمات الكمومية ليس "إبادة" بالمعنى نفسه ، لكنه مشابه إلى حد ما - يعتقد إليتزور أن هذه الجسيمات المعاكسة المفترضة يجب أن يكون لها طاقة سالبة وكتلة سالبة ، مما يسمح لها بإلغاء نظيراتها.

لذا ، في حين أن التراكب التقليدي "مكانين في نفس الوقت" قد يبدو غريبًا نوعًا ما ، "فربما يكون التراكب عبارة عن مجموعة من الحالات الأكثر جنونًا" ، كما يقول إليتزور. "ميكانيكا الكم تخبرك فقط عن حالتها المتوسطة." يسمح لك التحديد اللاحق بعزل واختبار بعض هذه الحالات فقط بدقة أعلى ، كما يقترح. مثل هذا التفسير للسلوك الكمومي سيكون ، على حد تعبيره ، "ثوريًا" لأنه يستلزم مجموعة غير مقبولة حتى الآن من الحالات الحقيقية (ولكن الغريبة جدًا) الكامنة وراء الظواهر الكمومية المتناقضة.

يقول الباحثون إن إجراء التجربة الفعلية سيتطلب ضبط أداء أجهزة التوجيه الكمومية الخاصة بهم ، لكنهم يأملون أن يكون نظامهم جاهزًا لها في غضون ثلاثة إلى خمسة أشهر. بينما يتوقعه بعض المراقبين بفارغ الصبر. يقول وارتون: "يجب أن تنجح التجربة ، لكنها لن تقنع أي شخص لأن النتائج تتنبأ بها ميكانيكا الكم القياسية". بمعنى آخر ، لا يوجد سبب وجيه لتفسير النتيجة من حيث TSVF.

يوافق إليتزور على أنه كان من الممكن تصور تجربتهم باستخدام وجهة النظر التقليدية لميكانيكا الكم التي سادت منذ عقود ، لكن هذا لم يحدث أبدًا. " أليس هذا مؤشرًا جيدًا على موثوقية TSVF؟ سأل. وإذا اعتقد أي شخص أنه بإمكانه صياغة صورة مختلفة لـ "ما يحدث بالفعل" في هذه التجربة ، باستخدام ميكانيكا الكم القياسية ، يضيف: " حسنًا ، دعهم يحاولون!»

عادة ما نفكر في فيزياء الكم على أنها تصف سلوك الجسيمات دون الذرية ، وليس سلوك البشر. لكن الفكرة ليست بعيدة المنال ، كما يقول وونغ. كما تؤكد أيضًا أن برنامجها البحثي لا يشير إلى أن أدمغتنا هي بالمعنى الحرفي للكلمة أجهزة كمبيوتر كمومية. لا يركز وونج وزملاؤه على الجوانب الفيزيائية للدماغ ، بل يركزون على كيفية مساعدة المبادئ الرياضية المجردة لنظرية الكم في فهم الوعي والسلوك البشري.

"في كل من العلوم الاجتماعية والسلوكية ، غالبًا ما نستخدم النماذج الاحتمالية. على سبيل المثال ، نسأل السؤال ، ما هو احتمال أن يتصرف الشخص بطريقة معينة أو يتخذ قرارًا معينًا؟ تقليديًا ، تستند جميع هذه النماذج إلى نظرية الاحتمالات الكلاسيكية - التي نشأت من الفيزياء الكلاسيكية للأنظمة النيوتونية. ما هو الغريب حول ما سيفكر فيه علماء الاجتماع حول أنظمة الكم ومبادئها الرياضية؟

يتعامل مع الغموض في العالم المادي. حالة جسيم معين وطاقته وموقعه كلها غير مؤكدة ويجب حسابها من حيث الاحتمالات. يولد الإدراك الكمي عندما يتعامل المرء مع الغموض النفسي. في بعض الأحيان نكون غير متأكدين من مشاعرنا ، أو نشعر بالغموض بشأن أحد الخيارات ، أو نضطر إلى اتخاذ قرارات بناءً على معلومات محدودة.

"دماغنا لا يستطيع تخزين كل شيء. ليس لدينا دائمًا فكرة واضحة عما يحدث. ولكن إذا سألتني سؤالاً مثل "ماذا تريد لتناول العشاء؟" ، فسأفكر وأتوصل إلى إجابة بناءة وواضحة "، كما يقول وونغ. "هذه معرفة كمومية."

"أعتقد أن الشكلية الرياضية التي توفرها نظرية الكم تتفق مع ما نشعر به حدسيًا كعلماء نفس. قد لا تكون نظرية الكم بديهية على الإطلاق عند استخدامها لوصف سلوك جسيم ما ، لكنها تكون بديهية تمامًا عندما تصف تفكيرنا النموذجي الغامض والغامض ".

إنها تستخدم مثال قطة شرودنجر ، حيث تكون القطة داخل الصندوق حية وميتة باحتمالية معينة. كلا الخيارين محتمل في أذهاننا. وهذا يعني أن القطة لديها القدرة على أن تكون حية وميتة في نفس الوقت. يسمى هذا التأثير بالتراكب الكمومي. عندما نفتح الصندوق ، لم يعد كلا الاحتمالين موجودين ، ويجب أن تكون القطة حية أو ميتة.

مع الوعي الكمي ، كل قرار نتخذه هو قط شرودنغر الفريد.

عندما نفرز الخيارات ، فإننا ننظر من خلالها بأعيننا الداخلية. لبعض الوقت ، تتعايش جميع الخيارات بدرجات متفاوتة من الإمكانات: مثل التراكب. ثم ، عندما نختار خيارًا واحدًا ، يتوقف الباقي عن الوجود بالنسبة لنا.

من الصعب نمذجة هذه العملية رياضيًا ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن كل احتمال يضيف وزناً للمعادلة. إذا طُلب من شخص ما أثناء الانتخابات الاختيار من بين عشرين مرشحًا في بطاقة الاقتراع ، تصبح مشكلة الاختيار واضحة (إذا رأى الشخص أسمائهم لأول مرة). أسئلة مفتوحة مثل "كيف حالك؟" مع ترك المزيد من الخيارات.

مع النهج الكلاسيكي لعلم النفس ، قد لا تكون الإجابات منطقية على الإطلاق ، لذلك يحتاج العلماء إلى بناء بديهيات رياضية جديدة لشرح السلوك في كل حالة على حدة. النتيجة: ظهرت العديد من النماذج النفسية الكلاسيكية ، بعضها يتعارض مع بعضها البعض ، ولا ينطبق أي منها على كل موقف.

باستخدام نهج كمي ، كما تشير وونج وزملاؤها ، يمكن تفسير العديد من الجوانب المعقدة والمعقدة للسلوك من خلال مجموعة واحدة محدودة من البديهيات. يشرح نفس النموذج الكمي الذي يشرح سبب تأثير ترتيب الأسئلة على إجابات الأشخاص الذين تمت مقابلتهم أيضًا انتهاكات العقلانية في نموذج معضلة السجين ، وتأثير عمل الأشخاص معًا حتى عندما لا يكون ذلك في مصلحتهم على الإطلاق.

يقول وونج: "معضلة السجين وترتيب الأسئلة هما تأثيران مختلفان تمامًا في علم النفس الكلاسيكي ، لكن يمكن تفسيرهما من خلال نفس النموذج الكمي". - بمساعدتها ، يمكن تفسير العديد من النتائج الأخرى غير ذات الصلة والغامضة في علم النفس. وهي أنيقة ".

29.10.2016

على الرغم من صوت موضوع اليوم وغموضه ، سنحاول معرفة ذلك ما الذي تدرسه فيزياء الكم بكلمات بسيطة، ما هي أقسام فيزياء الكم التي لها مكان لها ولماذا فيزياء الكم مطلوبة من حيث المبدأ.

المواد المعروضة أدناه في متناول أي شخص لفهمها.

قبل الصراخ حول دراسات فيزياء الكم ، سيكون من المناسب أن نتذكر كيف بدأ كل شيء ...

بحلول منتصف القرن التاسع عشر ، استوعب الجنس البشري دراسة المشكلات التي لا يمكن حلها باستخدام أجهزة الفيزياء الكلاسيكية.

بدا عدد من الظواهر "غريبة". لم يتم الرد على بعض الأسئلة على الإطلاق.

في خمسينيات القرن التاسع عشر ، يقترح ويليام هاملتون ، معتقدًا أن الميكانيكا الكلاسيكية غير قادرة على وصف حركة أشعة الضوء بدقة ، نظريته الخاصة ، التي دخلت تاريخ العلم تحت اسم شكليات هاملتون-جاكوبي ، والتي استندت إلى الافتراض. لنظرية موجة الضوء.

في عام 1885 ، بعد جدال مع صديق ، اشتق الفيزيائي السويسري يوهان بالمر بشكل تجريبي صيغة جعلت من الممكن حساب الأطوال الموجية للخطوط الطيفية بدقة عالية جدًا.

في ذلك الوقت ، لم يستطع بالمر شرح أسباب الأنماط التي تم الكشف عنها.

في عام 1895 ، اكتشف فيلهلم رونتجن ، أثناء دراسته لأشعة الكاثود ، الإشعاع الذي أطلق عليه اسم الأشعة السينية (أعيدت تسميته لاحقًا بالأشعة) ، والذي تميز بشخصية اختراق قوية.

بعد عام ، في عام 1896 ، اكتشف هنري بيكريل ، الذي درس أملاح اليورانيوم ، إشعاعًا تلقائيًا له خصائص مماثلة. الظاهرة الجديدة كانت تسمى النشاط الإشعاعي.

في عام 1899 ، تم إثبات الطبيعة الموجية للأشعة السينية.

الصورة 1. مؤسسو فيزياء الكم ماكس بلانك ، إروين شرودنغر ، نيلز بور

تميز عام 1901 بظهور أول نموذج كوكبي للذرة ، اقترحه جان بيرين. للأسف ، تخلى العالم نفسه عن هذه النظرية ، ولم يجد تأكيدًا لها من وجهة نظر نظرية الديناميكا الكهربائية.

بعد ذلك بعامين ، اقترح العالم الياباني هانتارو ناجاوكا Hantaro Nagaoka نموذجًا كوكبيًا آخر للذرة ، في وسطه كان يجب أن يكون هناك جسيم موجب الشحنة ، تدور حوله الإلكترونات في المدارات.

ومع ذلك ، لم تأخذ هذه النظرية في الاعتبار الإشعاع المنبعث من الإلكترونات ، وبالتالي لا يمكنها ، على سبيل المثال ، تفسير نظرية الخطوط الطيفية.

بالتفكير في بنية الذرة ، كان جوزيف طومسون في عام 1904 أول من فسر مفهوم التكافؤ من وجهة نظر مادية.

ربما يمكن التعرف على سنة ميلاد فيزياء الكم على أنها عام 1900 ، مع ربطها بخطاب ماكس بلانك في اجتماع للفيزياء الألمانية.

كان بلانك هو الذي اقترح نظرية توحد العديد من المفاهيم الفيزيائية والصيغ والنظريات المتباينة حتى الآن ، بما في ذلك ثابت بولتزمان ، وربط الطاقة ودرجة الحرارة ، ورقم أفوجادرو ، وقانون الإزاحة في فيينا ، وشحنة الإلكترون ، وقانون إشعاع بولتزمان ...

قدم أيضًا مفهوم كم الفعل (الثاني - بعد ثابت بولتزمان - الثابت الأساسي).

يرتبط التطوير الإضافي لفيزياء الكم ارتباطًا مباشرًا بأسماء هندريك لورنتز ، وألبرت أينشتاين ، وإرنست رذرفورد ، وأرنولد سومرفيلد ، وماكس بورن ، ونيلز بور ، وإروين شرودنغر ، ولويس دي بروجلي ، وفيرنر هايزنبرغ ، وولفغانغ باولي ، وبول ديراك ، وإنريكو فيرمي ، العديد من العلماء البارزين الآخرين ، الذين تم إنشاؤهم في النصف الأول من القرن العشرين.

تمكن العلماء من فهم طبيعة الجسيمات الأولية بعمق غير مسبوق ، ودراسة تفاعلات الجسيمات والحقول ، وكشف طبيعة الكوارك للمادة ، واشتقاق الدالة الموجية ، وشرح المفاهيم الأساسية للتمييز (التكميم) وثنائية الموجة والجسيم.

جعلت نظرية الكم ، مثلها مثل أي نظرية أخرى ، البشرية أقرب إلى فهم القوانين الأساسية للكون ، واستبدلت المفاهيم المعتادة بأخرى أكثر دقة ، وجعلتنا نعيد التفكير في عدد هائل من النماذج الفيزيائية.

ماذا تدرس فيزياء الكم؟

تصف فيزياء الكم خصائص المادة على مستوى الظواهر الدقيقة ، وتستكشف قوانين حركة الأجسام الدقيقة (الأجسام الكمومية).

موضوع فيزياء الكمهي كائنات كمومية بأبعاد 10 8 سم أو أقل. هو - هي:

• الجزيئات
• ذرات
• النوى الذرية،
• الجسيمات الأولية.

الخصائص الرئيسية للأجسام الدقيقة هي كتلة السكون والشحنة الكهربائية. كتلة إلكترون واحد (أنا) تساوي 9.1 10 28 جم.

للمقارنة ، كتلة الميون هي 207 ليتر ، ونيوترون 1839 أنا ، وبروتون 1836 أنا.

بعض الجسيمات ليس لها كتلة راحة على الإطلاق (نيوترينو ، فوتون). كتلتها هي 0 أنا.

الشحنة الكهربائية لأي جسم دقيق هي مضاعف شحنة الإلكترون التي تساوي 1.6 · 10 19 درجة مئوية. إلى جانب الأجسام المشحونة ، توجد كائنات دقيقة محايدة ، شحنتها تساوي الصفر.

الصورة 2. فيزياء الكم أجبرت على إعادة النظر في الآراء التقليدية حول مفاهيم الموجات والحقول والجسيمات

الشحنة الكهربائية لجسم دقيق معقد تساوي المجموع الجبري لشحنات الجسيمات المكونة له.

من بين خصائص الكائنات الدقيقة غزل(ترجم حرفيا من الإنجليزية - "للتدوير").

من المعتاد تفسيره على أنه الزخم الزاوي لجسم كمي لا يعتمد على الظروف الخارجية.

من الصعب العثور على ظهر الصورة المناسبة في العالم الحقيقي. لا يمكن تمثيله على أنه قمة دوارة بسبب طبيعته الكمية. لا تستطيع الفيزياء الكلاسيكية وصف هذا الكائن.

يؤثر وجود الدوران على سلوك الكائنات الدقيقة.

يقدم وجود الدوران ميزات مهمة في سلوك الكائنات في العالم المصغر ، ومعظمها - الأجسام غير المستقرة - تتحلل تلقائيًا ، وتتحول إلى كائنات كمومية أخرى.

الأجسام الدقيقة المستقرة ، والتي تشمل النيوترينوات ، والإلكترونات ، والفوتونات ، والبروتونات ، وكذلك الذرات والجزيئات ، يمكن أن تتحلل فقط تحت تأثير الطاقة القوية.

تمتص فيزياء الكم الفيزياء الكلاسيكية تمامًا ، معتبرةً إياها حالة محدودة.

في الواقع ، فيزياء الكم - بالمعنى الواسع - هي فيزياء حديثة.

ما تصفه فيزياء الكم في العالم المصغر لا يمكن إدراكه. لهذا السبب ، يصعب تخيل العديد من أحكام فيزياء الكم ، على عكس الأشياء الموصوفة في الفيزياء الكلاسيكية.

على الرغم من ذلك ، جعلت النظريات الجديدة من الممكن تغيير أفكارنا حول الموجات والجسيمات ، حول الوصف الديناميكي والاحتمالي ، حول المستمر والمنفصل.

فيزياء الكم ليست مجرد نظرية حديثة.

هذه نظرية تمكنت من التنبؤ بعدد لا يصدق من الظواهر وشرحها - من العمليات التي تحدث في النوى الذرية إلى التأثيرات الماكروسكوبية في الفضاء الخارجي.

فيزياء الكم - على عكس الفيزياء الكلاسيكية - تدرس المادة على مستوى أساسي ، وتعطي تفسيرات لظواهر الواقع المحيط التي لا تستطيع الفيزياء التقليدية تقديمها (على سبيل المثال ، لماذا تظل الذرات مستقرة أو ما إذا كانت الجسيمات الأولية أولية حقًا).

تمنحنا نظرية الكم القدرة على وصف العالم بشكل أكثر دقة مما كان مقبولاً قبل بدايته.

أهمية فيزياء الكم

إن التطورات النظرية التي تشكل جوهر فيزياء الكم قابلة للتطبيق على دراسة كل من الأجسام الفضائية الضخمة التي لا يمكن تصورها والجسيمات الأولية الصغيرة للغاية.

الديناميكا الكهربائية الكميةيغرقنا في عالم الفوتونات والإلكترونات ، مع التركيز على دراسة التفاعلات بينهما.

نظرية الكم للمادة المكثفةيعمق معرفتنا بالسوائل الفائقة والمغناطيس والبلورات السائلة والأجسام غير المتبلورة والبلورات والبوليمرات.

الصورة 3. أعطت فيزياء الكم للإنسانية وصفًا أكثر دقة للعالم من حولنا

ركز البحث العلمي في العقود الأخيرة على دراسة بنية الكوارك للجسيمات الأولية في إطار فرع مستقل لفيزياء الكم - الديناميكا اللونية الكمومية.

ميكانيكا الكم غير الارتباطية(الذي هو خارج نطاق نظرية النسبية لأينشتاين) يدرس الأجسام المجهرية التي تتحرك بسرعة منخفضة نسبيًا (أقل من) ، وخصائص الجزيئات والذرات ، وبنيتها.

البصريات الكموميةتشارك في الدراسة العلمية للحقائق المرتبطة بإظهار الخصائص الكمومية للضوء (العمليات الكيميائية الضوئية ، الإشعاع الحراري والمحفز ، التأثير الكهروضوئي).

نظرية المجال الكموميقسم موحد يضم أفكار نظرية النسبية وميكانيكا الكم.

أعطت النظريات العلمية التي تم تطويرها في إطار فيزياء الكم دفعة قوية لتطوير الإلكترونيات الكمومية ، والتكنولوجيا ، ونظرية الكم للمواد الصلبة ، وعلوم المواد ، وكيمياء الكم.

بدون ظهور فروع المعرفة وتطورها ، سيكون من المستحيل إنشاء مركبات فضائية وكاسحات جليد نووية واتصالات متنقلة والعديد من الاختراعات المفيدة الأخرى.

لا أحد يفهم ما هو الوعي وكيف يعمل. لا أحد يفهم ميكانيكا الكم أيضًا. هل يمكن أن يكون هذا أكثر من مجرد مصادفة؟ "لا يمكنني تحديد المشكلة الحقيقية ، لذلك أظن أنه لا توجد مشكلة حقيقية ، لكنني لست متأكدًا من عدم وجود أي مشكلة حقيقية." قال الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان هذا عن المفارقات المحيرة لميكانيكا الكم. اليوم ، يستخدم الفيزيائيون هذه النظرية لوصف أصغر الأشياء في الكون. لكنه يمكن أن يقول الشيء نفسه عن مشكلة الوعي المعقدة.

يعتقد بعض العلماء أننا نفهم الوعي بالفعل أو أنه مجرد وهم. لكن بالنسبة للعديد من الآخرين ، يبدو أننا لم نقترب حتى من جوهر الوعي على الإطلاق.

حتى أن اللغز الدائم المسمى "الوعي" دفع بعض العلماء إلى محاولة تفسيره بفيزياء الكم. لكن اجتهادهم قوبل بقدر لا بأس به من الشك ، وهذا ليس مفاجئًا: يبدو أنه من غير المعقول شرح لغز ما بمساعدة الآخر.

لكن مثل هذه الأفكار ليست عبثية أبدًا ولم تأت حتى من السقف.

من ناحية أخرى ، مما أثار استياء الفيزيائيين ، رفض العقل في البداية فهم نظرية الكم المبكرة. علاوة على ذلك ، من المتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على القيام بأشياء لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العادية القيام بها. يذكرنا أن أدمغتنا لا تزال قادرة على إنجاز مآثر تتجاوز نطاق الذكاء الاصطناعي. يتم الاستهزاء بـ "الوعي الكمي" على نطاق واسع باعتباره هراءًا صوفيًا ، لكن لم يتمكن أحد من تبديده نهائيًا.

ميكانيكا الكم هي أفضل نظرية لدينا يمكنها وصف العالم على مستوى الذرات والجسيمات دون الذرية. ولعل أشهر ألغازها هي حقيقة أن نتيجة التجربة الكمومية يمكن أن تتغير اعتمادًا على ما إذا كنا نختار قياس خصائص الجسيمات المعنية أم لا.

عندما اكتشف رواد نظرية الكم هذا "تأثير المراقب" لأول مرة ، انزعجوا بشدة. يبدو أنه يقوض الافتراض في صميم كل العلم: يوجد في مكان ما عالم موضوعي مستقل عنا. إذا كان العالم يتصرف حقًا اعتمادًا على كيف - أو إذا - ننظر إليه ، فماذا يعني "الواقع" في الواقع؟

اضطر بعض العلماء إلى استنتاج أن الموضوعية مجرد وهم وأن الوعي يجب أن يلعب دورًا نشطًا في نظرية الكم. والبعض الآخر ببساطة لم يروا أي منطق منطقي فيه. على سبيل المثال ، انزعج ألبرت أينشتاين: هل القمر موجود فقط عندما تنظر إليه؟

اليوم ، يشك بعض الفيزيائيين في أن الوعي لا يؤثر على ميكانيكا الكم ... لكنه ظهر على الإطلاق بفضل ذلك. يعتقدون أننا قد نحتاج إلى نظرية الكم لفهم كيفية عمل الدماغ على الإطلاق. هل يمكن أن يكون الأمر كما لو أن الأجسام الكمومية يمكن أن تكون في مكانين في نفس الوقت ، يمكن للدماغ الكمي أن يضع شيئين منفصلين في ذهنه في نفس الوقت؟

هذه الأفكار مثيرة للجدل. قد يتضح أن فيزياء الكم لا علاقة لها بعمل الوعي. لكنهم على الأقل يوضحون أن نظرية الكم الغريبة تجعلنا نفكر في أشياء غريبة.

أفضل طريقة لميكانيكا الكم لاختراق الوعي البشري هي من خلال تجربة الشق المزدوج. تخيل شعاع من الضوء يصطدم بشاشة ذات شقين متوازيين متقاربين. يمر جزء من الضوء عبر الشقوق ويسقط على شاشة أخرى.

يمكنك التفكير في الضوء على أنه موجة. عندما تمر الموجات عبر شقين ، كما في التجربة ، فإنها تصطدم - تتداخل - مع بعضها البعض. إذا كانت قممها متطابقة ، فإنها تعزز بعضها البعض ، مما ينتج عنه سلسلة من خطوط الضوء بالأبيض والأسود على شاشة سوداء ثانية.

تم استخدام هذه التجربة لإظهار الطبيعة الموجية للضوء لأكثر من 200 عام ، حتى ظهور نظرية الكم. ثم أجريت تجربة الشق المزدوج باستخدام الجسيمات الكمومية - الإلكترونات. هذه جسيمات صغيرة مشحونة ، مكونات الذرة. بطريقة غريبة ، يمكن لهذه الجسيمات أن تتصرف مثل الأمواج. أي أنها تخضع للانحراف عندما يمر تيار من الجسيمات عبر شقين ، مما ينتج عنه نمط تداخل.

لنفترض الآن أن الجسيمات الكمومية تمر عبر الشقوق واحدًا تلو الآخر وسيتم أيضًا ملاحظة وصولها على الشاشة خطوة بخطوة. الآن لا يوجد شيء واضح من شأنه أن يتسبب في تدخل الجسيم في مساره. لكن نمط تأثير الجسيمات سيظل يظهر هامش التداخل.

كل شيء يشير إلى أن كل جسيم يمر في نفس الوقت عبر كلا الشقين ويتداخل مع نفسه. يُعرف هذا المزيج من المسارين بحالة التراكب.

لكن إليكم ما هو غريب.

إذا وضعنا الكاشف في أو خلف أحد الشقوق ، فيمكننا معرفة ما إذا كانت الجسيمات تمر عبره أم لا. لكن في هذه الحالة ، التداخل يختفي. الحقيقة البسيطة المتمثلة في مراقبة مسار الجسيم - حتى لو لم تتداخل هذه الملاحظة مع حركة الجسيم - تغير النتيجة.

وضع الفيزيائي باسكوال جوردان ، الذي عمل مع خبير الكم نيلز بور في كوبنهاغن في عشرينيات القرن الماضي ، الأمر على هذا النحو: "الملاحظات لا تزعج فقط ما يجب قياسه ، بل تحدده أيضًا ... نحن نجبر الجسيم الكمومي على اختيار موضع معين." بمعنى آخر ، يقول جوردان: "نحن أنفسنا ننتج القياسات".

إذا كان الأمر كذلك ، فيمكن ببساطة التخلص من الواقع الموضوعي من النافذة.

لكن الشذوذ لا ينتهي عند هذا الحد.

إذا غيرت الطبيعة سلوكها اعتمادًا على ما إذا كنا ننظر أم لا ، فقد نحاول خداعها. للقيام بذلك ، يمكننا قياس المسار الذي سلكه الجسيم عند المرور عبر الشق المزدوج ، ولكن فقط بعد مروره من خلاله. بحلول ذلك الوقت ، كان من المفترض أن تكون قد "قررت" بالفعل ما إذا كانت ستمر في طريق واحد أو كلاهما.

اقترح الفيزيائي الأمريكي جون ويلر مثل هذه التجربة في السبعينيات ، وفي السنوات العشر التالية تم تنفيذ تجربة "الاختيار المؤجل". يستخدم طرقًا ذكية لقياس مسارات الجسيمات الكمومية (عادةً جسيمات الضوء - الفوتونات) بعد أن تختار مسارًا واحدًا أو تراكبًا لاثنين.

اتضح أنه ، كما تنبأ بور ، لا فرق بين تأجيل القياسات أم لا. طالما أننا نقيس مسار الفوتون حتى وصوله وتسجيله في الكاشف ، فلا يوجد تداخل. يبدو أن الطبيعة "تعرف" ليس فقط عندما نختلس النظر ، ولكن أيضًا عندما نخطط للانتباه.

يوجين وينر

عندما نكتشف مسار جسيم كمي في هذه التجارب ، فإن سحابة المسارات المحتملة "تضغط" في حالة واحدة محددة جيدًا. علاوة على ذلك ، تشير تجربة التأخير إلى أن فعل الملاحظة نفسه ، دون أي تدخل مادي ناتج عن القياس ، يمكن أن يتسبب في الانهيار. هل هذا يعني أن الانهيار الحقيقي يحدث فقط عندما تصل نتيجة القياس إلى وعينا؟

تم اقتراح هذا الاحتمال في ثلاثينيات القرن الماضي من قبل الفيزيائي المجري يوجين وينر. كتب: "يترتب على ذلك أن الوصف الكمي للأشياء يتأثر بالانطباعات التي تدخل وعيي". "الإيمان بالذات يمكن أن يكون منطقيًا متسقًا مع ميكانيكا الكم."

حتى أن ويلر كان مستمتعًا بفكرة أن وجود كائنات حية قادرة على "الملاحظة" قد حول ما كان سابقًا العديد من الماضي الكمي المحتمل إلى قصة واحدة ملموسة. بهذا المعنى ، كما يقول ويلر ، أصبحنا مشاركين في تطور الكون منذ البداية. يقول إننا نعيش في "عالم تشاركي".

لا يزال الفيزيائيون غير قادرين على اتخاذ قرار بشأن أفضل تفسير لهذه التجارب الكمية ، وإلى حد ما يُمنح الحق لك. لكن ، بطريقة أو بأخرى ، المعنى واضح: الوعي وميكانيكا الكم مرتبطان بطريقة ما.

بداية من الثمانينيات ، اقترح الفيزيائي الإنجليزي روجر بنروز أن هذا الاتصال يمكن أن يعمل في اتجاه مختلف. وقال إنه سواء كان الوعي يؤثر على ميكانيكا الكم أم لا ، فربما تكون ميكانيكا الكم منخرطة في الوعي.

عالم الفيزياء والرياضيات روجر بنروز

وسأل بنروز أيضًا: ماذا لو كانت هناك بنى جزيئية في دماغنا يمكنها تغيير حالتها استجابةً لحدث كمي واحد؟ هل يمكن أن تتخذ هذه الهياكل حالة من التراكب ، مثل الجسيمات في تجربة الشق المزدوج؟ هل يمكن أن تظهر هذه التراكبات الكمومية في الطريقة التي تتواصل بها الخلايا العصبية عبر الإشارات الكهربائية؟

قال بنروز ، هل يمكن أن تكون قدرتنا على الحفاظ على الحالات العقلية التي تبدو غير متوافقة ليست شذوذًا إدراكيًا ، ولكنها تأثير كمي حقيقي؟

بعد كل شيء ، يبدو أن الدماغ البشري قادر على معالجة العمليات المعرفية التي لا تزال بعيدة عن قدرات أجهزة الكمبيوتر الرقمية. قد نكون قادرين حتى على أداء المهام الحسابية التي لا يمكن أداؤها على أجهزة الكمبيوتر العادية باستخدام المنطق الرقمي الكلاسيكي.

اقترح بنروز أولاً أن التأثيرات الكمومية موجودة في العقل البشري في كتابه عام 1989 عقل الإمبراطور الجديد. كانت فكرته الرئيسية هي "تخفيض موضوعي منسق". الاختزال الموضوعي ، بحسب بنروز ، يعني أن انهيار التداخل الكمي والتراكب هو عملية فيزيائية حقيقية ، مثل فقاعة الانفجار.

يعتمد التخفيض الموضوعي المنظم على افتراض بنروز بأن الجاذبية ، التي تؤثر على الأشياء اليومية أو الكراسي أو الكواكب ، لا تُظهر تأثيرات كمية. يعتقد بنروز أن التراكب الكمي يصبح مستحيلاً بالنسبة للأجسام الأكبر من الذرات ، لأن تأثيرها الثقالي سيؤدي بعد ذلك إلى وجود نسختين غير متوافقتين من الزمكان.

طور بنروز هذه الفكرة مع الطبيب الأمريكي ستيوارت هامروف. في كتابه Shadows of the Mind (1994) ، اقترح أن الهياكل المشاركة في هذا الإدراك الكمي يمكن أن تكون خيوط بروتينية - أنابيب دقيقة. توجد في معظم خلايانا ، بما في ذلك الخلايا العصبية في الدماغ. جادل بنروز وهامروف أنه أثناء عملية التذبذب ، يمكن للأنابيب الدقيقة أن تأخذ حالة من التراكب الكمي.

لكن لا يوجد ما يدعم إمكانية حدوث ذلك.

كان من المفترض أن تدعم التجارب المقترحة في عام 2013 فكرة التراكب الكمومي في الأنابيب الدقيقة ، ولكن في الواقع ، لم تذكر هذه الدراسات التأثيرات الكمية. بالإضافة إلى ذلك ، يعتقد معظم الباحثين أن فكرة التخفيضات الموضوعية المنظمة قد تم دحضها من خلال دراسة نُشرت في عام 2000. قام الفيزيائي ماكس تيجمارك بحساب أن التراكبات الكمومية للجزيئات المشاركة في الإشارات العصبية لا يمكنها البقاء حتى اللحظة التي يستغرقها إرسال إشارة.

تعتبر التأثيرات الكمية ، بما في ذلك التراكب ، هشة للغاية ويتم تدميرها في عملية تسمى فك الترابط. ترجع هذه العملية إلى تفاعلات الجسم الكمومي مع بيئته ، حيث تتسرب "كميته".

كان يعتقد أن فك الترابط سريع للغاية في البيئات الدافئة والرطبة مثل الخلايا الحية.

الإشارات العصبية عبارة عن نبضات كهربائية ناتجة عن مرور الذرات المشحونة كهربائيًا عبر جدران الخلايا العصبية. إذا كانت إحدى هذه الذرات في حالة تراكب ثم اصطدمت مع خلية عصبية ، أظهر Tegmark أن التراكب يجب أن يتحلل في أقل من جزء من المليار من المليار من الثانية. يستغرق الأمر عشرة آلاف تريليون مرة أطول من الخلايا العصبية لإطلاق إشارة.

هذا هو السبب في أن الأفكار حول التأثيرات الكمومية في الدماغ لا تجتاز اختبار المتشككين.

لكن بنروز يصر بلا هوادة على فرضية OOR. وعلى الرغم من تنبؤ Tegmark بفك الترابط الفائق السرعة في الخلايا ، فقد وجد علماء آخرون مظاهر للتأثيرات الكمية في الكائنات الحية. يجادل البعض بأن ميكانيكا الكم تستخدم من قبل الطيور المهاجرة التي تستخدم الملاحة المغناطيسية والنباتات الخضراء عندما تستخدم ضوء الشمس لإنتاج السكر من خلال عملية التمثيل الضوئي.

مع كل هذا ، فكرة أن الدماغ يمكنه استخدام الحيل الكمومية ترفض أن تختفي إلى الأبد. لأنهم وجدوا حجة أخرى لصالحها.

هل يمكن للفوسفور أن يحافظ على حالة كمومية؟

في دراسة أجريت عام 2015 ، جادل الفيزيائي ماثيو فيشر بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا بأن الدماغ قد يحتوي على جزيئات يمكنها تحمل تراكب كمي أقوى. على وجه الخصوص ، يعتقد أن نوى ذرات الفوسفور يمكن أن يكون لها مثل هذه القدرة. توجد ذرات الفوسفور في كل مكان في الخلايا الحية. غالبًا ما تأخذ شكل أيونات الفوسفات ، حيث تتحد ذرة فوسفور واحدة مع أربع ذرات أكسجين.

هذه الأيونات هي الوحدة الأساسية للطاقة في الخلايا. يتم تخزين معظم طاقة الخلية في جزيئات ATP ، والتي تحتوي على سلسلة من ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة بجزيء عضوي. عندما يتم قطع أحد الفوسفات ، يتم إطلاق الطاقة التي تستخدمها الخلية.

تحتوي الخلايا على آلات جزيئية لتجميع أيونات الفوسفات في مجموعات وتفكيكها. اقترح فيشر مخططًا يمكن فيه وضع اثنين من أيونات الفوسفات في نوع معين من التراكب: في حالة التشابك.

نوى الفوسفور لها خاصية كمومية - الدوران - تجعلها تبدو كمغناطيس صغير مع أقطاب تشير في اتجاهات معينة. في حالة التشابك ، يعتمد دوران نواة الفوسفور على الأخرى. بعبارة أخرى ، الحالات المتشابكة هي حالات تراكب تتضمن أكثر من جسيم كمي.

يقول فيشر إن السلوك الميكانيكي الكمومي لهذه السبينات النووية يمكن أن يقاوم فك الترابط. وهو يتفق مع Tegmark في أن الاهتزازات الكمية التي تحدث عنها بنروز وهامروف ستعتمد بشكل كبير على بيئتها و "تتلاشى على الفور تقريبًا". لكن لفات النوى لا تتفاعل بقوة مع محيطها.

ومع ذلك ، يجب "حماية" السلوك الكمومي لدورات نوى الفوسفور من فك الترابط.

يمكن أن يكون للجسيمات الكمومية دوران مختلف

يقول فيشر إن هذا يمكن أن يحدث إذا تم دمج ذرات الفوسفور في أجسام أكبر تسمى "جزيئات بوسنر". وهي عبارة عن مجموعات من ستة أيونات فوسفات مع تسعة أيونات الكالسيوم. هناك بعض الدلائل على أن مثل هذه الجزيئات قد تكون موجودة في الخلايا الحية ، لكنها حتى الآن ليست مقنعة تمامًا.

يرى فيشر أنه في جزيئات بوسنر ، يمكن أن تقاوم لفات الفوسفور فك الترابط لمدة يوم أو نحو ذلك ، حتى في الخلايا الحية. لذلك ، يمكن أن تؤثر أيضًا على عمل الدماغ.

الفكرة هي أن جزيئات بوسنر يمكن أن تمتصها الخلايا العصبية. بمجرد دخولها ، ستقوم الجزيئات بتنشيط إشارة إلى خلية عصبية أخرى عن طريق تفكك وإطلاق أيونات الكالسيوم. بسبب التشابك في جزيئات بوسنر ، يمكن أن تتشابك اثنتان من هذه الإشارات بدورها: بطريقة ما ، سيكون ذلك تراكبًا كميًا "للفكر". يقول فيشر: "إذا كانت المعالجة الكمومية باستخدام السبينات النووية موجودة بالفعل في الدماغ ، فستكون ظاهرة شائعة للغاية تحدث طوال الوقت".

خطرت له الفكرة لأول مرة عندما كان يفكر في مرض عقلي.

كبسولة كربونات الليثيوم

يقول فيشر: "بدأت مقدمتي للكيمياء الحيوية للدماغ عندما قررت قبل ثلاث إلى أربع سنوات أن أتحرى كيف ولماذا يكون لأيون الليثيوم مثل هذا التأثير الجذري في علاج الاضطرابات العقلية".

تستخدم أدوية الليثيوم على نطاق واسع لعلاج الاضطراب ثنائي القطب. إنهم يعملون ، لكن لا أحد يعرف السبب حقًا.

يقول فيشر: "لم أكن أبحث عن تفسير كمي". لكنه عثر بعد ذلك على ورقة وصفت كيف كان لمستحضرات الليثيوم تأثيرات مختلفة على سلوك الفئران اعتمادًا على شكل - أو "نظير" - الليثيوم المستخدم.

في البداية ، حير هذا العلماء. من وجهة نظر كيميائية ، تتصرف النظائر المختلفة بنفس الطريقة تقريبًا ، لذلك إذا كان الليثيوم يعمل كعقار تقليدي ، فيجب أن يكون للنظائر نفس التأثير.

الخلايا العصبية متصلة بالمشابك

لكن فيشر أدرك أن نوى ذرات نظائر مختلفة من الليثيوم يمكن أن يكون لها دوران مختلف. يمكن أن تؤثر هذه الخاصية الكمومية على كيفية عمل الأدوية القائمة على الليثيوم. على سبيل المثال ، إذا حل الليثيوم محل الكالسيوم في جزيئات بوسنر ، يمكن أن يكون لدور الليثيوم تأثير على ذرات الفوسفور ويمنعها من التشابك.

إذا كان هذا صحيحًا ، فيمكن أن يفسر سبب قدرة الليثيوم على علاج الاضطراب ثنائي القطب.

في الوقت الحالي ، لا يعد اقتراح فيشر أكثر من فكرة مثيرة للاهتمام. لكن هناك عدة طرق للتحقق من ذلك. على سبيل المثال ، يمكن لدوران الفوسفور في جزيئات بوسنر الحفاظ على التماسك الكمي لفترة طويلة. هذا هو فيشر ويخطط لمزيد من التحقق.

ومع ذلك فهو حذر من الارتباط بمفاهيم سابقة عن "الوعي الكمي" ، والتي يعتبرها تخمينية في أحسن الأحوال.

الوعي لغز عميق

لا يحب الفيزيائيون أن يكونوا داخل نظرياتهم. يأمل الكثير منهم في إمكانية استخلاص الوعي والدماغ من نظرية الكم ، وربما العكس. لكننا لا نعرف ما هو الوعي ، ناهيك عن حقيقة أنه ليس لدينا نظرية تصفه.

علاوة على ذلك ، أحيانًا ما تكون هناك صرخات عالية بأن ميكانيكا الكم ستسمح لنا بإتقان التخاطر والتحريك الذهني (وعلى الرغم من أن هذا قد يكون صحيحًا في مكان ما في عمق المفاهيم ، إلا أن الناس يأخذون كل شيء حرفيًا جدًا). لذلك ، يخشى الفيزيائيون عمومًا ذكر كلمتي "كم" و "وعي" في نفس الجملة.

في عام 2016 ، اقترح Adrian Kent من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة ، وهو أحد أكثر "فلاسفة الكم" احترامًا ، أن الوعي يمكن أن يغير سلوك الأنظمة الكمومية بطرق خفية ولكن يمكن اكتشافها. كان كينت حذرًا جدًا في تصريحاته. "لا يوجد سبب مقنع للاعتقاد بأن نظرية الكم هي نظرية مناسبة يمكن من خلالها اشتقاق نظرية الوعي ، أو أن مشاكل نظرية الكم يجب أن تتقاطع بطريقة ما مع مشكلة الوعي" ، كما يعترف.

لكنه يضيف أنه من غير المفهوم تمامًا كيف يمكن للمرء أن يشتق وصفًا للوعي ، يعتمد فقط على فيزياء ما قبل الكم ، وكيفية وصف جميع خصائصه وخصائصه.

نحن لا نفهم كيف تعمل الأفكار

أحد الأسئلة المثيرة بشكل خاص هو كيف يمكن لعقولنا الواعية أن تختبر أحاسيس فريدة مثل اللون الأحمر أو رائحة اللحم المشوي. باستثناء الأشخاص المعاقين بصريًا ، نعلم جميعًا كيف يبدو اللون الأحمر ، لكن لا يمكننا وصف الشعور ، ولا يوجد شيء في الفيزياء يمكن أن يخبرنا كيف يبدو.

تسمى هذه المشاعر بالكواليا. نحن نعتبرها خصائص موحدة للعالم الخارجي ، لكنها في الواقع نتاج وعينا - وهذا أمر يصعب تفسيره. في عام 1995 ، أطلق الفيلسوف ديفيد تشالمرز على هذه المشكلة "المشكلة الصعبة" للوعي.

يقول كينت: "أي سلسلة عقلية تتعلق بعلاقة الوعي بالفيزياء تؤدي إلى مشاكل خطيرة".

دفعه هذا إلى اقتراح أنه "يمكننا إحراز بعض التقدم في فهم مشكلة تطور الوعي إذا سمحنا (أو حتى افترضنا للتو) أن الوعي يغير الاحتمالات الكمومية."

بمعنى آخر ، يمكن للدماغ أن يؤثر فعليًا على نتائج القياس.

من وجهة النظر هذه ، فهي لا تحدد "ما هو حقيقي". لكنها يمكن أن تؤثر على احتمالية ملاحظة كل من الحقائق المحتملة التي تفرضها ميكانيكا الكم. حتى نظرية الكم نفسها لا يمكنها التنبؤ بهذا. ويعتقد كينت أنه يمكننا البحث عن مثل هذه المظاهر تجريبياً. يقيّم حتى بجرأة فرص العثور عليهم.

"أعتقد مع يقين بنسبة 15 في المائة أن الوعي يسبب انحرافات عن نظرية الكم ؛ و 3 في المائة أخرى سنؤكد ذلك تجريبيًا في الخمسين عامًا القادمة "، كما يقول.

إذا حدث هذا ، فلن يكون العالم كما هو. ولهذا ، فإن الأمر يستحق الاستكشاف.

بالتأكيد سمعت مرات عديدة حول الألغاز التي لا يمكن تفسيرها في فيزياء الكم وميكانيكا الكم. قوانينها مبهرة بالتصوف ، وحتى الفيزيائيون أنفسهم يعترفون بأنهم لا يفهمونها تمامًا. من ناحية ، من الغريب فهم هذه القوانين ، ولكن من ناحية أخرى ، لا يوجد وقت لقراءة الكتب متعددة المجلدات والمعقدة في الفيزياء. أفهمك كثيرًا ، لأنني أيضًا أحب المعرفة والبحث عن الحقيقة ، لكن لا يوجد وقت كافٍ لجميع الكتب. لست وحدك ، فالكثير من الأشخاص الفضوليين يكتبون في سطر البحث: "فيزياء الكم للدمى ، ميكانيكا الكم للمبتدئين ، فيزياء الكم للمبتدئين ، ميكانيكا الكم للمبتدئين ، أساسيات فيزياء الكم ، أساسيات ميكانيكا الكم ، فيزياء الكم للأطفال ، ما هي ميكانيكا الكم ". هذا المنشور لك.

سوف تفهم المفاهيم الأساسية ومفارقات فيزياء الكم. من المقال سوف تتعلم:

• ما هي فيزياء الكم وميكانيكا الكم؟
• ما هو التدخل؟
• ما هو التشابك الكمي (أو النقل الآني الكمي للدمى)؟ (انظر المقال)
• ما هي تجربة شرودنجر الفكرية؟ (انظر المقال)

ميكانيكا الكم جزء من فيزياء الكم.

لماذا يصعب فهم هذه العلوم؟ الجواب بسيط: فيزياء الكم وميكانيكا الكم (جزء من فيزياء الكم) تدرس قوانين العالم المجهري. وهذه القوانين تختلف تمامًا عن قوانين عالمنا الكبير. لذلك ، يصعب علينا تخيل ما يحدث للإلكترونات والفوتونات في العالم المصغر.

مثال على الاختلاف بين قوانين العالم الكلي والعوالم الدقيقة: في عالمنا الكبير ، إذا وضعت كرة في أحد الصندوقين ، فسيكون أحدهما فارغًا ، والآخر - كرة. لكن في العالم المصغر (إذا كان بدلاً من كرة - ذرة) ، يمكن أن تكون الذرة في صندوقين في نفس الوقت. تم تأكيد هذا مرارًا وتكرارًا بشكل تجريبي. أليس من الصعب وضعها في رأسك؟ لكن لا يمكنك المجادلة مع الحقائق.

مثال آخر.لقد صورت سيارة رياضية حمراء سريعة السباق وفي الصورة رأيت شريطًا أفقيًا ضبابيًا ، كما لو كانت السيارة في وقت الصورة من عدة نقاط في الفضاء. على الرغم مما تراه في الصورة ، ما زلت متأكدًا من أن السيارة كانت في الوقت الحالي عندما قمت بتصويرها. في مكان واحد محدد في الفضاء. ليس الأمر كذلك في العالم الجزئي. الإلكترون الذي يدور حول نواة الذرة لا يدور في الواقع ، ولكن تقع في وقت واحد في جميع نقاط الكرةحول نواة الذرة. مثل كرة من الصوف الناعم ملفوفة بشكل فضفاض. هذا المفهوم في الفيزياء يسمى "السحابة الإلكترونية" .

استطالة صغيرة في التاريخ.لأول مرة ، فكر العلماء في عالم الكم عندما حاول الفيزيائي الألماني ماكس بلانك في عام 1900 اكتشاف سبب تغير لون المعادن عند تسخينها. كان هو الذي قدم مفهوم الكم. قبل ذلك ، اعتقد العلماء أن الضوء يسافر باستمرار. كان أول شخص أخذ اكتشاف بلانك على محمل الجد هو ألبرت أينشتاين المجهول آنذاك. لقد أدرك أن الضوء ليس مجرد موجة. في بعض الأحيان يتصرف مثل الجسيم. حصل أينشتاين على جائزة نوبل لاكتشافه أن الضوء ينبعث في أجزاء ، كوانتا. كمية الضوء تسمى الفوتون ( الفوتون ، ويكيبيديا) .

من أجل تسهيل فهم قوانين الكم الفيزياءو ميكانيكا (ويكيبيديا)، من الضروري ، بمعنى ما ، التجريد من قوانين الفيزياء الكلاسيكية المألوفة لنا. وتخيل أنك غاصت ، مثل أليس ، في حفرة الأرانب ، في بلاد العجائب.

وهنا رسم كاريكاتوري للأطفال والكبار.يتحدث عن التجربة الأساسية لميكانيكا الكم ذات الشقين والمراقب. تدوم 5 دقائق فقط. شاهده قبل الخوض في الأسئلة والمفاهيم الأساسية لفيزياء الكم.

فيزياء الكم للدمى فيديو. في الكارتون انتبه إلى "عين" المراقب. لقد أصبح لغزًا خطيرًا لعلماء الفيزياء.

ما هو التدخل؟

في بداية الرسوم الكاريكاتورية ، باستخدام مثال سائل ، تم توضيح كيفية تصرف الموجات - تظهر خطوط عمودية متناوبة داكنة وخفيفة على الشاشة خلف لوحة بها فتحات. وفي حالة "إطلاق" الجسيمات المنفصلة (على سبيل المثال ، الحصى) على اللوحة ، فإنها تطير عبر فتحتين وتضرب الشاشة المقابلة للفتحات مباشرةً. و "ارسم" على الشاشة شريطين عموديين فقط.

تدخل الضوء- هذا هو سلوك "الموجة" للضوء ، عندما يتم عرض الكثير من الخطوط العمودية الساطعة والداكنة بالتناوب على الشاشة. وتلك الخطوط العمودية يسمى نمط التداخل.

في عالمنا الكبير ، غالبًا ما نلاحظ أن الضوء يتصرف مثل الموجة. إذا وضعت يدك أمام الشمعة ، فلن يكون هناك ظل واضح من اليد على الحائط ، ولكن مع خطوط ضبابية.

لذلك ، ليس الأمر بهذه الصعوبة! من الواضح تمامًا الآن أن للضوء طبيعة موجية ، وإذا أُضيء شقان بالضوء ، فسنرى على الشاشة خلفهما نمط تداخل. الآن فكر في التجربة الثانية. هذه هي تجربة Stern-Gerlach الشهيرة (التي أجريت في العشرينات من القرن الماضي).

في التركيب الموصوف في الرسوم المتحركة ، لم يلمعوا بالضوء ، لكن "أطلقوا" الإلكترونات (كجسيمات منفصلة). بعد ذلك ، في بداية القرن الماضي ، اعتقد الفيزيائيون حول العالم أن الإلكترونات هي جسيمات أولية للمادة ولا ينبغي أن يكون لها طبيعة موجية ، ولكن مثل الحصى. بعد كل شيء ، الإلكترونات هي جسيمات أولية للمادة ، أليس كذلك؟ أي ، إذا تم "رميها" في فتحتين ، مثل الحصى ، فعندئذٍ على الشاشة خلف الفتحات يجب أن نرى خطين عموديين.

لكن ... كانت النتيجة مذهلة. رأى العلماء نمط تداخل - الكثير من الخطوط العمودية. وهذا يعني أن الإلكترونات ، مثل الضوء ، يمكن أن يكون لها أيضًا طبيعة موجية ، ويمكنها أن تتدخل. من ناحية أخرى ، أصبح من الواضح أن الضوء ليس مجرد موجة ، ولكنه أيضًا جسيم - فوتون (من الخلفية التاريخية في بداية المقال ، علمنا أن أينشتاين حصل على جائزة نوبل لهذا الاكتشاف).

قد تتذكر أنه في المدرسة قيل لنا في الفيزياء "ثنائية موجة الجسيمات"؟ هذا يعني أنه عندما يتعلق الأمر بجزيئات صغيرة جدًا (ذرات ، إلكترونات) في العالم الصغير ، إذن كلاهما موجات وجزيئات

اليوم أنا وأنت أذكياء جدًا ونفهم أن التجربتين الموصوفتين أعلاه - إطلاق الإلكترونات وإضاءة الفتحات بالضوء - هما نفس الشيء. لأننا نطلق جسيمات كمومية في الشقوق. نحن نعلم الآن أن كلا من الضوء والإلكترونات ذات طبيعة كمومية ، فهما موجات وجسيمات في نفس الوقت. وفي بداية القرن العشرين ، كانت نتائج هذه التجربة ضجة كبيرة.

انتباه! الآن دعنا ننتقل إلى قضية أكثر دقة.

نلمع على شقوقنا بدفق من الفوتونات (الإلكترونات) - ونرى نمط تداخل (خطوط عمودية) خلف الشقوق على الشاشة. الأمر الواضح. لكننا مهتمون برؤية كيف يطير كل من الإلكترونات عبر الشق.

من المفترض أن يطير إلكترون واحد إلى الشق الأيسر والآخر إلى اليمين. ولكن بعد ذلك يجب أن يظهر خطان عموديان على الشاشة مقابل الفتحات مباشرة. لماذا يتم الحصول على نمط التداخل؟ ربما تتفاعل الإلكترونات بطريقة ما مع بعضها البعض بالفعل على الشاشة بعد الطيران عبر الشقوق. والنتيجة هي مثل هذا النمط الموجي. كيف يمكننا متابعة هذا؟

سوف نرمي الإلكترونات ليس في شعاع ، ولكن واحدًا تلو الآخر. أسقطه ، انتظر ، أسقط التالي. الآن ، عندما يطير الإلكترون بمفرده ، فلن يكون قادرًا على التفاعل على الشاشة مع الإلكترونات الأخرى. سوف نسجل على الشاشة كل إلكترون بعد الرمية. واحد أو اثنان ، بالطبع ، لن "ترسم" صورة واضحة لنا. ولكن عندما نرسل الكثير منهم واحدًا تلو الآخر إلى الفتحات ، سنلاحظ ... يا رعب - لقد "رسموا" مرة أخرى نمط موجة تداخل!

نبدأ بالجنون ببطء. بعد كل شيء ، توقعنا أنه سيكون هناك خطين عموديين مقابل الفتحات! اتضح أنه عندما ألقينا الفوتونات واحدًا تلو الآخر ، مرت كل واحدة منها ، كما كانت ، من خلال شقين في نفس الوقت وتتداخل مع نفسها. خيال! سنعود إلى شرح هذه الظاهرة في القسم التالي.

ما هو الدوران والتراكب؟

نحن نعرف الآن ما هو التدخل. هذا هو السلوك الموجي للجسيمات الدقيقة - الفوتونات والإلكترونات والجسيمات الدقيقة الأخرى (دعنا نسميها الفوتونات للتبسيط من الآن فصاعدًا).

نتيجة للتجربة ، عندما ألقينا فوتونًا واحدًا في شقين ، أدركنا أنه يطير كما لو كان يمر عبر شقين في نفس الوقت. وإلا كيف تشرح نمط التداخل على الشاشة؟

ولكن كيف تتخيل صورة يطير فيها فوتون عبر شقين في نفس الوقت؟ هناك خياران.

• الخيار الأول:الفوتون ، مثل الموجة (مثل الماء) "يطفو" خلال شقين في نفس الوقت
• الخيار الثاني:الفوتون ، مثل الجسيم ، يطير في وقت واحد على طول مسارين (ليس حتى مسارين ، ولكن كل ذلك في وقت واحد)

من حيث المبدأ ، هذه العبارات متكافئة. لقد وصلنا إلى "مسار متكامل". هذه هي صياغة ريتشارد فاينمان لميكانيكا الكم.

بالمناسبة بالضبط ريتشارد فاينمانينتمي إلى التعبير المعروف أن يمكننا أن نقول بثقة أنه لا أحد يفهم ميكانيكا الكم

لكن هذا التعبير عن عمله في بداية القرن. لكننا الآن أذكياء ونعلم أن الفوتون يمكن أن يتصرف كجسيم وكموجة. يمكنه ، بطريقة غير مفهومة لنا ، الطيران في وقت واحد عبر فتحتين. لذلك ، سيكون من السهل علينا فهم البيان المهم التالي لميكانيكا الكم:

بالمعنى الدقيق للكلمة ، تخبرنا ميكانيكا الكم أن سلوك الفوتون هذا هو القاعدة وليس الاستثناء. أي جسيم كمي ، كقاعدة عامة ، يوجد في عدة حالات أو في عدة نقاط في الفضاء في وقت واحد.

لا يمكن أن تكون كائنات macroworld إلا في مكان واحد محدد وفي حالة واحدة محددة. لكن الجسيم الكمي موجود وفقًا لقوانينه الخاصة. وهي لا تهتم لأننا لا نفهمهم. هذا هو المقصد.

يبقى لنا أن نقبل ببساطة كبديهية أن "التراكب" لجسم كمي يعني أنه يمكن أن يكون على مسارين أو أكثر في نفس الوقت ، عند نقطتين أو أكثر في نفس الوقت

الأمر نفسه ينطبق على معلمة فوتون أخرى - الدوران (الزخم الزاوي الخاص به). السبين هو ناقل. يمكن اعتبار الكائن الكمي كمغناطيس مجهري. لقد اعتدنا على حقيقة أن متجه المغناطيس (الدوران) إما موجه لأعلى أو لأسفل. لكن الإلكترون أو الفوتون يخبرنا مرة أخرى: "يا رفاق ، نحن لا نهتم بما اعتدت عليه ، يمكننا أن نكون في كلتا حالتي الدوران في وقت واحد (متجه لأعلى ، متجه لأسفل) ، تمامًا كما يمكننا أن نكون على مسارين في نفس الوقت أو عند نقطتين في نفس الوقت!

ما هو "القياس" أو "انهيار الدالة الموجية"؟

يتبقى لنا القليل - لفهم ما هو "القياس" وما هو "انهيار دالة الموجة".

وظيفة الموجةهو وصف لحالة الجسم الكمومي (الفوتون أو الإلكترون).

لنفترض أن لدينا إلكترونًا ، فإنه يطير على نفسه في حالة غير محددة ، يتم توجيه دورانها لأعلى ولأسفل في نفس الوقت. نحن بحاجة إلى قياس حالته.

دعونا نقيس باستخدام المجال المغناطيسي: الإلكترونات التي يتم توجيه دورانها في اتجاه المجال سوف تنحرف في اتجاه واحد ، والإلكترونات التي يتم توجيه دورانها ضد المجال سوف تنحرف في الاتجاه الآخر. يمكن أيضًا إرسال الفوتونات إلى مرشح استقطاب. إذا كان اللف المغزلي (الاستقطاب) للفوتون هو +1 ، فإنه يمر عبر المرشح ، وإذا كان -1 ، فإنه لا يمر.

قف! هذا هو المكان الذي يطرح فيه السؤال حتماً:قبل القياس ، بعد كل شيء ، لم يكن للإلكترون أي اتجاه دوران معين ، أليس كذلك؟ هل كان في جميع الولايات في نفس الوقت؟

هذه هي خدعة وإحساس ميكانيكا الكم.. طالما أنك لا تقيس حالة الجسم الكمومي ، فيمكنه الدوران في أي اتجاه (يكون له أي اتجاه لمتجه الزخم الزاوي الخاص به - الدوران). لكن في الوقت الذي قمت فيه بقياس حالته ، يبدو أنه يقرر أي متجه للدوران يجب أن يتخذه.

هذا الجسم الكمومي رائع جدًا - فهو يتخذ قرارًا بشأن حالته.ولا يمكننا التنبؤ مسبقًا بالقرار الذي ستتخذه عندما تطير في المجال المغناطيسي الذي نقيسه فيه. احتمال أن يقرر أن يكون له متجه دوراني "لأعلى" أو "لأسفل" هو 50 إلى 50٪. ولكن بمجرد أن يقرر ، يكون في حالة معينة مع اتجاه دوران محدد. سبب قراره هو "بعدنا"!

هذا يسمي " انهيار وظيفة الموجة ". كانت وظيفة الموجة قبل القياس غير محددة ، أي كان متجه دوران الإلكترون في نفس الوقت في جميع الاتجاهات ، بعد القياس ، حدد الإلكترون اتجاهًا معينًا لمتجه السبين.

انتباه! مثال ممتاز على ارتباط من عالمنا الكبير للفهم:

قم بتدوير عملة معدنية على الطاولة مثل القمة. أثناء دوران العملة المعدنية ، ليس لها معنى محدد - رؤوس أو ذيول. ولكن بمجرد أن تقرر "قياس" هذه القيمة وضرب العملة بيدك ، فهذا هو المكان الذي تحصل فيه على الحالة المحددة للعملة - رؤوس أو ذيول. تخيل الآن أن هذه العملة تحدد القيمة التي "تظهر لك" - الرؤوس أو الذيل. يتصرف الإلكترون بنفس الطريقة تقريبًا.

تذكر الآن التجربة الموضحة في نهاية الرسوم المتحركة. عندما تم تمرير الفوتونات عبر الشقوق ، فإنها تتصرف مثل الموجة وتظهر نمط تداخل على الشاشة. وعندما أراد العلماء تحديد (قياس) اللحظة التي تمر فيها الفوتونات عبر الشق وتضع "مراقبًا" خلف الشاشة ، بدأت الفوتونات تتصرف ليس مثل الموجات ، ولكن مثل الجسيمات. و "رسم" شريطين عموديين على الشاشة. أولئك. في لحظة القياس أو الملاحظة ، تختار الأجسام الكمية نفسها الحالة التي يجب أن تكون فيها.

خيال! أليس كذلك؟

لكن هذا ليس كل شيء. أخيرا نحن حصلت على الأكثر إثارة للاهتمام.

لكن ... يبدو لي أنه سيكون هناك الكثير من المعلومات ، لذلك سننظر في هذين المفهومين في منشورات منفصلة:

• ماذا او ما ؟
• ما هي التجربة الفكرية.

والآن ، هل تريد أن توضع المعلومات على الرفوف؟ شاهد فيلمًا وثائقيًا من إنتاج المعهد الكندي للفيزياء النظرية. في غضون 20 دقيقة ، سيخبرك باختصار شديد وبترتيب زمني عن جميع اكتشافات فيزياء الكم ، بدءًا من اكتشاف بلانك في عام 1900. وبعد ذلك سيخبرونك بالتطورات العملية التي يتم تنفيذها حاليًا على أساس معرفة فيزياء الكم: من الساعات الذرية الأكثر دقة إلى الحسابات فائقة السرعة للحاسوب الكمومي. أوصي بشدة بمشاهدة هذا الفيلم.

أرك لاحقًا!

أتمنى لك كل الإلهام لجميع خططك ومشاريعك!

ملاحظة 2 اكتب أسئلتك وأفكارك في التعليقات. اكتب ، ما هي الأسئلة الأخرى حول فيزياء الكم التي تهتم بها؟

ملاحظة 3 الاشتراك في المدونة - نموذج الاشتراك الموجود أسفل المقال.