Στην κβαντική φυσική, πρέπει να το πει κανείς αυτό. Υπάρχει μια περίεργη σύνδεση μεταξύ της ανθρώπινης συνείδησης και της κβαντικής φυσικής

Ένα νέο πείραμα θα μπορούσε να ρίξει φως στην εκπληκτική κρυφή μηχανική των κβαντικών υπερθέσεων.

Προσθήκη- η ιδέα ότι μικροσκοπικά αντικείμενα μπορούν να υπάρχουν σε πολλά μέρη ή καταστάσεις ταυτόχρονα - είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της κβαντικής φυσικής. Ένα νέο πείραμα προσπαθεί να ρίξει φως σε αυτό το μυστηριώδες φαινόμενο.

Το κύριο ερώτημα στην κβαντομηχανική, στο οποίο κανείς δεν γνωρίζει την απάντηση: τι συμβαίνει στην πραγματικότητα σε μια υπέρθεση - ένα είδος κατάστασης στην οποία τα σωματίδια βρίσκονται σε δύο ή περισσότερες θέσεις ή καταστάσεις ταυτόχρονα; Μια ομάδα ερευνητών από το Ισραήλ και την Ιαπωνία πρότειναν ένα πείραμα που θα μας επιτρέψει επιτέλους να μάθουμε κάτι ακριβές για τη φύση αυτού του μυστηριώδους φαινομένου.

Το πείραμά τους, το οποίο οι ερευνητές λένε ότι θα μπορούσε να γίνει μέσα σε μήνες, θα πρέπει να επιτρέψει στους επιστήμονες να κατανοήσουν πού βρίσκεται ένα αντικείμενο - στη συγκεκριμένη περίπτωση, ένα σωματίδιο φωτός που ονομάζεται φωτόνιο - όταν βρίσκεται σε υπέρθεση. Και οι ερευνητές προβλέπουν ότι η απάντηση θα είναι ακόμα πιο περίεργη και πιο συγκλονιστική από «δύο μέρη ταυτόχρονα».

Ένα κλασικό παράδειγμα υπέρθεσης περιλαμβάνει τη λήψη φωτονίων μέσω δύο παράλληλων σχισμών σε ένα φράγμα. Μία από τις θεμελιώδεις πτυχές της κβαντικής μηχανικής είναι ότι τα μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν να συμπεριφέρονται σαν κύματα, έτσι ώστε αυτά που διέρχονται από μια σχισμή να «παρεμβαίνουν» με αυτά που διέρχονται από μια άλλη, οι κυματιστοί κυματισμοί τους, μεγεθύνοντας ή αλλάζοντας το ένα το άλλο, δημιουργώντας μια χαρακτηριστική δομή στον ανιχνευτή οθόνη. Το περίεργο, ωστόσο, είναι ότι αυτή η παρεμβολή συμβαίνει ακόμα και αν εκτοξεύεται μόνο ένα σωματίδιο τη φορά. Το σωματίδιο φαίνεται να περνά και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα. Αυτή είναι η υπέρθεση.

Και αυτό είναι πολύ περίεργο: η μέτρηση από ποια σχισμή περνάει ένα σωματίδιο δείχνει πάντα ότι περνά από μία μόνο σχισμή και σε αυτή την περίπτωση, η παρεμβολή κυμάτων («κβαντική», αν θέλετε) εξαφανίζεται. Η ίδια η πράξη μέτρησης φαίνεται να «καταστρέφει» την υπέρθεση. " Ξέρουμε ότι κάτι περίεργο συμβαίνει στην υπέρθεσηλέει ο φυσικός Avshalom Elitzer του Ισραηλινού Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών. «Αλλά δεν μπορείς να το μετρήσεις. Αυτό είναι που κάνει την κβαντική μηχανική τόσο μυστηριώδη».

Για δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν σταματήσει σε αυτό το προφανές αδιέξοδο. Δεν μπορούν να πουν ακριβώς τι είναι μια υπέρθεση χωρίς να την παρατηρήσουν. αλλά αν προσπαθήσουν να το κοιτάξουν, θα εξαφανιστεί. Μια πιθανή λύση, που αναπτύχθηκε από τον πρώην μέντορα του Elitzur, τον Ισραηλινό φυσικό Yakir Aaharonov στο Πανεπιστήμιο Chapman και τους συνεργάτες του, προτείνει έναν τρόπο να μάθετε κάτι για τα κβαντικά σωματίδια πριν από τη μέτρηση. Η προσέγγιση Aharonian ονομάζεται φορμαλισμός δύο καταστάσεων (TSVF) της κβαντικής μηχανικής και τα αξιώματα των κβαντικών γεγονότων καθορίζονται κατά μία έννοια από κβαντικές καταστάσεις όχι μόνο στο παρελθόν αλλά και στο μέλλον. Δηλαδή, το TSVF υποθέτει ότι η κβαντική μηχανική λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω στο χρόνο. Από αυτή την άποψη, οι αιτίες φαίνεται να μπορούν να διαδίδονται προς τα πίσω στο χρόνο, εμφανίζονται μετά από αποτελέσματα.

Αλλά αυτή η περίεργη ιδέα δεν πρέπει να εκληφθεί κυριολεκτικά. Πιθανότατα, στο TSVF μπορεί κανείς να λάβει αναδρομική γνώση του τι συνέβη σε ένα κβαντικό σύστημα: αντί να μετράει απλώς πού τελειώνει το σωματίδιο, ο ερευνητής επιλέγει ένα συγκεκριμένο μέρος για να κοιτάξει. Αυτό ονομάζεται μετα-επιλογή και παρέχει περισσότερες πληροφορίες από οποιαδήποτε άνευ όρων προβολή των αποτελεσμάτων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η κατάσταση του σωματιδίου ανά πάσα στιγμή αξιολογείται αναδρομικά υπό το φως ολόκληρης της ιστορίας του μέχρι τη μέτρηση, συμπεριλαμβανομένης της μέτρησης. Αποδεικνύεται ότι ο ερευνητής - απλώς επιλέγοντας ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα για την αναζήτηση - καταλήγει στο συμπέρασμα ότι το αποτέλεσμα πρέπει να προκύψει. Είναι κάπως σαν να ανοίγεις την τηλεόραση τη στιγμή που πρέπει να μεταδοθεί το αγαπημένο σου πρόγραμμα, αλλά η ίδια σου η πράξη προκαλεί τη μετάδοση αυτού του προγράμματος ακριβώς εκείνη τη στιγμή. «Είναι γενικά αποδεκτό ότι το TSVF είναι μαθηματικά ισοδύναμο με την τυπική κβαντομηχανική», λέει ο David Wallace, φιλόσοφος της επιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια που ειδικεύεται στην ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής. «Αλλά οδηγεί στο να μην φαίνονται διαφορετικά κάποια πράγματα».

Πάρτε, για παράδειγμα, μια παραλλαγή του πειράματος δύο δευτερολέπτων που αναπτύχθηκε από τον Aharonov και τον συνεργάτη Lev Vaidman το 2003, το οποίο ερμήνευσαν χρησιμοποιώντας TSVF. Το ζεύγος περιέγραψε (αλλά δεν κατασκεύασε) ένα οπτικό σύστημα στο οποίο ένα φωτόνιο ενεργεί ως «διάφραγμα» που κλείνει τη σχισμή, προκαλώντας ένα άλλο «ανιχνευτικό» φωτόνιο να πλησιάσει τη σχισμή για να ανακλαστεί όπως εμφανιζόταν. Μετά τη μέτρηση του φωτονίου δοκιμής, όπως φαίνεται από τους Akharonov και Vaidman, μπορεί κανείς να παρατηρήσει μια φωτογραφία του κλείστρου σε μια υπέρθεση που ταυτόχρονα κλείνει (ή ακόμα και αυθαίρετα πολλές) σχισμές ταυτόχρονα. Με άλλα λόγια, αυτό το πείραμα σκέψης στη θεωρία θα καθιστούσε ασφαλές να πούμε ότι το φωτόνιο της πύλης είναι και «εδώ» και «εκεί» ταυτόχρονα. Αν και αυτή η κατάσταση φαίνεται παράδοξη από την καθημερινή μας εμπειρία, είναι μια καλά μελετημένη πτυχή των λεγόμενων «μη τοπικών» ιδιοτήτων των κβαντικών σωματιδίων, όπου διαλύεται ολόκληρη η έννοια μιας καλά καθορισμένης θέσης στο διάστημα.

Το 2016, οι φυσικοί Ryo Okamoto και Shigeki Takeuchi του Πανεπιστημίου του Κιότο επιβεβαίωσαν πειραματικά τις προβλέψεις των Aharonov και Weidman χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα καθοδήγησης φωτός στο οποίο δημιουργείται φωτογραφία κλείστρου χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό δρομολογητή, μια συσκευή που επιτρέπει σε ένα φωτόνιο να ελέγχει τη διαδρομή ενός άλλου. «Αυτό ήταν ένα πρωτοποριακό πείραμα που μας επέτρεψε να καθορίσουμε την ταυτόχρονη θέση ενός σωματιδίου σε δύο σημεία», λέει ο συνάδελφος του Elitzur, Eliahu Cohen από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα στο Οντάριο.

Τώρα ο Elitzur και ο Koen συνεργάστηκαν με τον Okamoto και τον Takeuchi για να καταλήξουν σε ένα ακόμα πιο εντυπωσιακό πείραμα. Πιστεύουν ότι αυτό θα επιτρέψει στους ερευνητές να γνωρίζουν με βεβαιότητα περισσότερα για τη θέση ενός σωματιδίου σε μια υπέρθεση σε μια ακολουθία διαφορετικών χρονικών σημείων προτού πραγματοποιηθούν πραγματικές μετρήσεις.

Αυτή τη φορά η διαδρομή του φωτονίου ανιχνευτή θα χωριστεί σε τρία μέρη με κάτοπτρα. Σε κάθε ένα από αυτά τα μονοπάτια, μπορεί να αλληλεπιδράσει με το φωτόνιο της πύλης σε υπέρθεση. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να θεωρηθούν ότι γίνονται σε κουτιά με την ένδειξη A, B και C, το καθένα που βρίσκεται κατά μήκος καθεμιάς από τις τρεις πιθανές διαδρομές φωτονίων. Λαμβάνοντας υπόψη την αυτο-παρέμβαση του φωτονίου ανιχνευτή, θα είναι δυνατό να συμπεράνουμε αναδρομικά με βεβαιότητα ότι το σωματίδιο πύλης βρισκόταν σε ένα δεδομένο κουτί σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή.

Το πείραμα έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε το φωτόνιο ανιχνευτή να μπορεί να δείξει παρεμβολή μόνο στην περίπτωση αλληλεπίδρασης με το φωτόνιο της πύλης σε μια ορισμένη ακολουθία τόπων και χρόνων: δηλαδή, εάν το φωτόνιο πύλης ήταν και στα δύο μπλοκ Α και Γ κάποια στιγμή (t1), στη συνέχεια σε μεταγενέστερο χρόνο (t2) - μόνο στο C και ακόμη αργότερα (t3) - τόσο στο B όσο και στο C. Έτσι, η παρεμβολή στο φωτόνιο ανίχνευσης θα ήταν η τελική ένδειξη ότι το φωτόνιο της πύλης διέρχεται πράγματι αυτό το παράξενο φαινόμενο της αλληλουχίας μεταξύ των κουτιών σε διαφορετικές χρονικές στιγμές είναι η ιδέα των Elitzur, Cohen και Aharonov, οι οποίοι πρότειναν πέρυσι ότι ένα σωματίδιο διέρχεται ταυτόχρονα από τρία κουτιά. «Μου αρέσει το πώς αυτό το άρθρο θέτει ερωτήσεις σχετικά με το τι συμβαίνει όσον αφορά ολόκληρες ιστορίες, όχι στιγμιαίες καταστάσεις», λέει ο φυσικός Ken Wharton από το Πανεπιστήμιο του San Jose State, ο οποίος δεν ασχολείται με το νέο έργο. «Το να μιλάμε για «κράτη» είναι μια παλιά διάχυτη προκατάληψη, ενώ οι πλήρεις ιστορίες τείνουν να είναι πολύ πιο πλούσιες και πιο ενδιαφέρουσες».

Αυτό ακριβώς είναι που ισχυρίζεται ο Elitzur το νέο πείραμα TSVF δίνει πρόσβαση. Η φαινομενική εξαφάνιση των σωματιδίων σε ένα μέρος τη φορά - και η επανεμφάνισή τους σε άλλους τόπους και χρόνους - υποδηλώνει ένα νέο και ασυνήθιστο όραμα των υποκείμενων διεργασιών που σχετίζονται με τη μη τοπική ύπαρξη κβαντικών σωματιδίων. Χάρη στον φακό TSVF, λέει ο Elitzur, αυτή η αστραφτερή, διαρκώς μεταβαλλόμενη ύπαρξη μπορεί να γίνει κατανοητή ως μια σειρά γεγονότων στα οποία η παρουσία ενός σωματιδίου σε ένα μέρος κατά κάποιο τρόπο «ακυρώνεται» από τη δική του «απέναντι πλευρά» στο ίδιο μέρος. . Το συγκρίνει αυτό με μια έννοια που εισήγαγε ο Βρετανός φυσικός Paul Dirac τη δεκαετία του 1920, ο οποίος υποστήριξε ότι τα σωματίδια έχουν αντισωματίδια και αν συνδυαστούν, σωματίδιο και αντισωματίδιο μπορούν να εξαφανιστούν το ένα το άλλο. Αυτή η εικόνα στην αρχή φαινόταν να είναι απλώς ένας τρόπος ομιλίας, αλλά σύντομα οδήγησε στην ανακάλυψη της αντιύλης. Η εξαφάνιση των κβαντικών σωματιδίων δεν είναι «εξόντωση» με την ίδια έννοια, αλλά είναι κάπως παρόμοια - αυτά τα υποτιθέμενα αντίθετα σωματίδια, πιστεύει ο Elitzur, θα πρέπει να έχουν αρνητική ενέργεια και αρνητική μάζα, επιτρέποντάς τους να ακυρώσουν τα αντίστοιχα τους.

Έτσι, ενώ η παραδοσιακή υπέρθεση «δύο μέρη ταυτόχρονα» μπορεί να φαίνεται μάλλον περίεργη, «ίσως η υπέρθεση είναι μια συλλογή καταστάσεων που είναι ακόμα πιο τρελή», λέει ο Elitzur. "Η κβαντομηχανική απλώς σας λέει για τη μέση κατάστασή τους." Η επακόλουθη επιλογή σάς επιτρέπει να απομονώσετε και να δοκιμάσετε μόνο μερικές από αυτές τις καταστάσεις σε υψηλότερη ανάλυση, προτείνει. Μια τέτοια ερμηνεία της κβαντικής συμπεριφοράς θα ήταν, σύμφωνα με τα λόγια του, «επαναστατική», διότι θα συνεπαγόταν ένα απαράδεκτο μέχρι τώρα θηριοτροφείο πραγματικών (αλλά πολύ παράξενων) καταστάσεων που θα κρύβονται πίσω από αντιφατικά κβαντικά φαινόμενα.

Οι ερευνητές λένε ότι η πραγματοποίηση του πραγματικού πειράματος θα απαιτήσει λεπτομερή ρύθμιση της απόδοσης των κβαντικών δρομολογητών τους, αλλά ελπίζουν να έχουν το σύστημά τους έτοιμο για αυτό σε τρεις έως πέντε μήνες. Ενώ κάποιοι παρατηρητές το περιμένουν με κομμένη την ανάσα. «Το πείραμα θα πρέπει να λειτουργήσει», λέει ο Wharton, «αλλά δεν θα πείσει κανέναν επειδή τα αποτελέσματα προβλέπονται από την τυπική κβαντομηχανική». Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει καλός λόγος να ερμηνεύσουμε το αποτέλεσμα με όρους TSVF.

Ο Elitzur συμφωνεί ότι το πείραμά τους θα μπορούσε να είχε συλληφθεί χρησιμοποιώντας τη συμβατική άποψη της κβαντικής μηχανικής που βασίλευε πριν από δεκαετίες, αλλά αυτό δεν συνέβη ποτέ. " Δεν είναι αυτό μια καλή ένδειξη της αξιοπιστίας του TSVF? ρωτάει. Και αν κάποιος πιστεύει ότι μπορεί να διατυπώσει μια διαφορετική εικόνα του "τι πραγματικά συμβαίνει" σε αυτό το πείραμα, χρησιμοποιώντας την τυπική κβαντομηχανική, προσθέτει: " Εντάξει, ας προσπαθήσουν!»

Συνήθως θεωρούμε ότι η κβαντική φυσική περιγράφει τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων, όχι τη συμπεριφορά των ανθρώπων. Αλλά η ιδέα δεν είναι και τόσο τραβηγμένη, λέει ο Wong. Τονίζει επίσης ότι το ερευνητικό της πρόγραμμα δεν υποδηλώνει ότι ο εγκέφαλός μας είναι κυριολεκτικά κβαντικοί υπολογιστές. Ο Wong και οι συνεργάτες του δεν επικεντρώνονται στις φυσικές πτυχές του εγκεφάλου, αλλά μάλλον στο πώς οι αφηρημένες μαθηματικές αρχές της κβαντικής θεωρίας μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση της ανθρώπινης συνείδησης και συμπεριφοράς.

«Τόσο στις κοινωνικές επιστήμες όσο και στις επιστήμες συμπεριφοράς, χρησιμοποιούμε συχνά πιθανολογικά μοντέλα. Για παράδειγμα, θέτουμε το ερώτημα, ποια είναι η πιθανότητα ένα άτομο να ενεργήσει με έναν συγκεκριμένο τρόπο ή να λάβει μια συγκεκριμένη απόφαση; Παραδοσιακά, όλα αυτά τα μοντέλα βασίζονται στην κλασική θεωρία πιθανοτήτων - η οποία προέρχεται από την κλασική φυσική των Νευτώνειων συστημάτων. Τι είναι εξωτικό σχετικά με το τι θα σκεφτούν οι κοινωνικοί επιστήμονες για τα κβαντικά συστήματα και τις μαθηματικές τους αρχές;

Ασχολείται με την ασάφεια στον φυσικό κόσμο. Η κατάσταση ενός συγκεκριμένου σωματιδίου, η ενέργειά του, η θέση του είναι όλα αβέβαια και πρέπει να υπολογιστούν με όρους πιθανοτήτων. Η κβαντική γνώση γεννιέται όταν κάποιος ασχολείται με την ψυχική ασάφεια. Μερικές φορές δεν είμαστε σίγουροι για τα συναισθήματά μας, αισθανόμαστε διφορούμενοι για μια επιλογή ή αναγκαζόμαστε να λάβουμε αποφάσεις με βάση περιορισμένες πληροφορίες.

«Ο εγκέφαλός μας δεν μπορεί να αποθηκεύσει τα πάντα. Δεν έχουμε πάντα ξεκάθαρη ιδέα για το τι συμβαίνει. Αλλά αν μου κάνετε μια ερώτηση όπως «τι θέλετε για δείπνο;», θα σκεφτώ και θα καταλήξω σε μια εποικοδομητική και ξεκάθαρη απάντηση», λέει ο Wong. «Αυτή είναι κβαντική γνώση».

«Νομίζω ότι ο μαθηματικός φορμαλισμός που παρέχεται από την κβαντική θεωρία είναι συνεπής με αυτό που αισθανόμαστε διαισθητικά ως ψυχολόγοι. Η κβαντική θεωρία μπορεί να μην είναι καθόλου διαισθητική όταν χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά ενός σωματιδίου, αλλά είναι αρκετά διαισθητική όταν περιγράφει την τυπική ασαφή και διφορούμενη σκέψη μας».

Χρησιμοποιεί το παράδειγμα της γάτας του Schrödinger, στην οποία η γάτα μέσα στο κουτί είναι ζωντανή και νεκρή με μια ορισμένη πιθανότητα. Και οι δύο επιλογές είναι πιθανές στο μυαλό μας. Δηλαδή, η γάτα έχει τη δυνατότητα να είναι και νεκρή και ζωντανή ταυτόχρονα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται κβαντική υπέρθεση. Όταν ανοίγουμε το κουτί, δεν υπάρχουν πλέον και οι δύο δυνατότητες και η γάτα πρέπει να είναι ζωντανή ή νεκρή.

Με την κβαντική συνείδηση, κάθε απόφαση που παίρνουμε είναι η δική μας μοναδική γάτα Schrödinger.

Όταν ταξινομούμε τις επιλογές, τις κοιτάμε με το εσωτερικό μας μάτι. Για κάποιο χρονικό διάστημα, όλες οι επιλογές συνυπάρχουν με διάφορους βαθμούς δυναμικού: σαν μια υπέρθεση. Στη συνέχεια, όταν επιλέξουμε μία επιλογή, οι υπόλοιπες παύουν να υπάρχουν για εμάς.

Είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί αυτή η διαδικασία μαθηματικά, εν μέρει επειδή κάθε πιθανότητα προσθέτει βάρος στην εξίσωση. Εάν κατά τη διάρκεια μιας εκλογής ζητηθεί από ένα άτομο να επιλέξει από είκοσι υποψηφίους στο ψηφοδέλτιο, το πρόβλημα επιλογής γίνεται εμφανές (αν το άτομο δει τα ονόματά τους για πρώτη φορά). Ερωτήσεις ανοιχτού τύπου όπως "πώς αισθάνεσαι;" αφήνοντας ακόμα περισσότερες επιλογές.

Με μια κλασική προσέγγιση της ψυχολογίας, οι απαντήσεις μπορεί να μην έχουν καθόλου νόημα, επομένως οι επιστήμονες πρέπει να δημιουργήσουν νέα μαθηματικά αξιώματα για να εξηγήσουν τη συμπεριφορά σε κάθε μεμονωμένη περίπτωση. Το αποτέλεσμα: έχουν προκύψει πολλά κλασικά ψυχολογικά μοντέλα, μερικά από τα οποία βρίσκονται σε σύγκρουση μεταξύ τους και κανένα από τα οποία δεν είναι εφαρμόσιμο σε κάθε κατάσταση.

Με μια κβαντική προσέγγιση, όπως επισημαίνουν η Wong και οι συνεργάτες της, πολλές σύνθετες και σύνθετες πτυχές της συμπεριφοράς μπορούν να εξηγηθούν από ένα περιορισμένο σύνολο αξιωμάτων. Το ίδιο κβαντικό μοντέλο που εξηγεί γιατί η σειρά των ερωτήσεων επηρεάζει τις απαντήσεις των ερωτηθέντων εξηγεί επίσης τις παραβιάσεις του ορθολογισμού στο παράδειγμα του Διλήμματος του φυλακισμένου, την επίδραση των ανθρώπων που εργάζονται μαζί ακόμα και όταν δεν είναι καθόλου προς το συμφέρον τους.

«Το δίλημμα του φυλακισμένου και η σειρά των ερωτήσεων είναι δύο πολύ διαφορετικά αποτελέσματα στην κλασική ψυχολογία, αλλά μπορούν και τα δύο να εξηγηθούν από το ίδιο κβαντικό μοντέλο», λέει ο Wong. - Με τη βοήθειά του μπορούν να εξηγηθούν πολλά άλλα, άσχετα και μυστηριώδη ευρήματα στην ψυχολογία. Και είναι κομψό».

29.10.2016

Παρά την ηχητικότητα και το μυστήριο του σημερινού θέματος, θα προσπαθήσουμε να πούμε τι μελετά η κβαντική φυσική με απλά λόγια, ποια τμήματα της κβαντικής φυσικής πρέπει να είναι και γιατί η κβαντική φυσική χρειάζεται κατ' αρχήν.

Το υλικό που προσφέρεται παρακάτω είναι προσβάσιμο σε οποιονδήποτε για κατανόηση.

Πριν διαφωνήσουμε για το τι μελετά η κβαντική φυσική, θα ήταν σκόπιμο να θυμηθούμε πώς ξεκίνησαν όλα…

Στα μέσα του 19ου αιώνα, η ανθρωπότητα είχε καταπιαστεί με τη μελέτη προβλημάτων που δεν μπορούσαν να επιλυθούν χρησιμοποιώντας τη συσκευή της κλασικής φυσικής.

Μια σειρά από φαινόμενα έμοιαζαν «περίεργα». Κάποιες ερωτήσεις δεν απαντήθηκαν καθόλου.

Στη δεκαετία του 1850, ο William Hamilton, πιστεύοντας ότι η κλασική μηχανική δεν είναι σε θέση να περιγράψει με ακρίβεια την κίνηση των ακτίνων φωτός, προτείνει τη δική του θεωρία, η οποία εισήλθε στην ιστορία της επιστήμης με το όνομα του φορμαλισμού Hamilton-Jacobi, η οποία βασίστηκε στο αξίωμα της κυματικής θεωρίας του φωτός.

Το 1885, μετά από λογομαχία με έναν φίλο, ο Ελβετός φυσικός Johann Balmer εξήγαγε εμπειρικά έναν τύπο που κατέστησε δυνατό τον υπολογισμό των μηκών κύματος των φασματικών γραμμών με πολύ υψηλή ακρίβεια.

Εκείνη την εποχή, ο Balmer δεν μπορούσε να εξηγήσει τους λόγους για τα μοτίβα που αποκαλύφθηκαν.

Το 1895, ο Wilhelm Roentgen, ενώ μελετούσε τις καθοδικές ακτίνες, ανακάλυψε την ακτινοβολία, την οποία ονόμασε ακτίνες Χ (αργότερα μετονομάστηκε σε ακτίνες), η οποία χαρακτηριζόταν από έναν ισχυρό διεισδυτικό χαρακτήρα.

Ένα χρόνο αργότερα, το 1896, ο Henri Becquerel, μελετώντας τα άλατα ουρανίου, ανακάλυψε αυθόρμητη ακτινοβολία με παρόμοιες ιδιότητες. Το νέο φαινόμενο ονομάστηκε ραδιενέργεια.

Το 1899, αποδείχθηκε η κυματική φύση των ακτίνων Χ.

Φωτογραφία 1. Οι ιδρυτές της κβαντικής φυσικής Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr

Το έτος 1901 σημαδεύτηκε από την εμφάνιση του πρώτου πλανητικού μοντέλου του ατόμου, που προτάθηκε από τον Jean Perrin. Αλίμονο, ο ίδιος ο επιστήμονας εγκατέλειψε αυτή τη θεωρία, μη βρίσκοντας την επιβεβαίωσή της από τη σκοπιά της θεωρίας της ηλεκτροδυναμικής.

Δύο χρόνια αργότερα, ένας επιστήμονας από την Ιαπωνία, ο Hantaro Nagaoka, πρότεινε ένα άλλο πλανητικό μοντέλο του ατόμου, στο κέντρο του οποίου θα έπρεπε να υπήρχε ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο, γύρω από το οποίο τα ηλεκτρόνια θα περιφέρονταν σε τροχιές.

Αυτή η θεωρία, ωστόσο, δεν έλαβε υπόψη την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα ηλεκτρόνια, και επομένως δεν μπορούσε, για παράδειγμα, να εξηγήσει τη θεωρία των φασματικών γραμμών.

Αναλογιζόμενος τη δομή του ατόμου, το 1904 ο Joseph Thomson ήταν ο πρώτος που ερμήνευσε την έννοια του σθένους από φυσική άποψη.

Το έτος γέννησης της κβαντικής φυσικής, ίσως, μπορεί να αναγνωριστεί ως το 1900, συνδέοντας μαζί της την ομιλία του Μαξ Πλανκ σε μια συνάντηση της Γερμανικής Φυσικής.

Ήταν ο Planck που πρότεινε μια θεωρία που ένωσε πολλές μέχρι τώρα ανόμοιες φυσικές έννοιες, τύπους και θεωρίες, συμπεριλαμβανομένης της σταθεράς Boltzmann, που συνδέει την ενέργεια και τη θερμοκρασία, τον αριθμό του Avogadro, τον νόμο μετατόπισης της Wien, το φορτίο ηλεκτρονίων, τον νόμο ακτινοβολίας Boltzmann...

Εισήγαγε επίσης την έννοια του κβαντικού της δράσης (η δεύτερη - μετά τη σταθερά Boltzmann - η θεμελιώδης σταθερά).

Η περαιτέρω ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής συνδέεται άμεσα με τα ονόματα των Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Sommerfeld, Max Born, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Enrico Fermi και πολλοί άλλοι αξιόλογοι επιστήμονες, που δημιουργήθηκαν στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα.

Οι επιστήμονες κατάφεραν να κατανοήσουν τη φύση των στοιχειωδών σωματιδίων με άνευ προηγουμένου βάθος, να μελετήσουν τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων και πεδίων, να αποκαλύψουν τη φύση κουάρκ της ύλης, να εξάγουν την κυματική συνάρτηση, να εξηγήσουν τις θεμελιώδεις έννοιες της διακριτικότητας (κβαντοποίηση) και της δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου.

Η κβαντική θεωρία, όπως καμία άλλη, έφερε την ανθρωπότητα πιο κοντά στην κατανόηση των θεμελιωδών νόμων του σύμπαντος, αντικατέστησε τις συνήθεις έννοιες με πιο ακριβείς και μας έκανε να ξανασκεφτούμε έναν τεράστιο αριθμό φυσικών μοντέλων.

Τι μελετά η κβαντική φυσική;

Η κβαντική φυσική περιγράφει τις ιδιότητες της ύλης στο επίπεδο των μικρο-φαινομένων, διερευνώντας τους νόμους της κίνησης των μικροαντικειμένων (κβαντικά αντικείμενα).

Το θέμα της κβαντικής φυσικήςείναι κβαντικά αντικείμενα με διαστάσεις 10 −8 cm ή μικρότερες. Το:

• μόρια,
• άτομα,
• ατομικοί πυρήνες,
• στοιχειώδη σωματίδια.

Τα κύρια χαρακτηριστικά των μικροαντικειμένων είναι η μάζα ηρεμίας και το ηλεκτρικό φορτίο. Η μάζα ενός ηλεκτρονίου (εγώ) είναι 9,1 10 −28 g.

Για σύγκριση, η μάζα ενός μιονίου είναι 207 me, ενός νετρονίου είναι 1839 me και ενός πρωτονίου είναι 1836 me.

Ορισμένα σωματίδια δεν έχουν καθόλου μάζα ηρεμίας (νετρίνο, φωτόνιο). Η μάζα τους είναι 0 εγώ.

Το ηλεκτρικό φορτίο οποιουδήποτε μικροαντικειμένου είναι πολλαπλάσιο του φορτίου ηλεκτρονίου ίσο με 1,6 · 10 −19 C. Μαζί με τα φορτισμένα υπάρχουν και ουδέτερα μικροαντικείμενα, το φορτίο των οποίων είναι ίσο με μηδέν.

Φωτογραφία 2. Η κβαντική φυσική αναγκάστηκε να επανεξετάσει τις παραδοσιακές απόψεις για τις έννοιες των κυμάτων, των πεδίων και των σωματιδίων

Το ηλεκτρικό φορτίο ενός μιγαδικού μικροαντικειμένου είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων των σωματιδίων που το αποτελούν.

Μεταξύ των ιδιοτήτων των μικροαντικειμένων είναι γνέθω(κυριολεκτική μετάφραση από τα αγγλικά - "to rotate").

Συνηθίζεται να ερμηνεύεται ως η γωνιακή ορμή ενός κβαντικού αντικειμένου που δεν εξαρτάται από εξωτερικές συνθήκες.

Η πλάτη είναι δύσκολο να βρεις μια επαρκή εικόνα στον πραγματικό κόσμο. Δεν μπορεί να αναπαρασταθεί ως περιστρεφόμενη κορυφή λόγω της κβαντικής φύσης του. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να περιγράψει αυτό το αντικείμενο.

Η παρουσία σπιν επηρεάζει τη συμπεριφορά των μικροαντικειμένων.

Η παρουσία του σπιν εισάγει σημαντικά χαρακτηριστικά στη συμπεριφορά των αντικειμένων στον μικρόκοσμο, τα περισσότερα από τα οποία - ασταθή αντικείμενα - αποσυντίθενται αυθόρμητα, μετατρέπονται σε άλλα κβαντικά αντικείμενα.

Σταθερά μικροαντικείμενα, που περιλαμβάνουν νετρίνα, ηλεκτρόνια, φωτόνια, πρωτόνια, καθώς και άτομα και μόρια, μπορούν να διασπαστούν μόνο υπό την επίδραση ισχυρής ενέργειας.

Η κβαντική φυσική απορροφά πλήρως την κλασική φυσική, θεωρώντας την ως την περιοριστική της περίπτωση.

Στην πραγματικότητα, η κβαντική φυσική είναι - με ευρεία έννοια - σύγχρονη φυσική.

Αυτό που περιγράφει η κβαντική φυσική στον μικρόκοσμο δεν μπορεί να γίνει αντιληπτό. Εξαιτίας αυτού, πολλές διατάξεις της κβαντικής φυσικής είναι δύσκολο να φανταστούν, σε αντίθεση με τα αντικείμενα που περιγράφονται από την κλασική φυσική.

Παρόλα αυτά, νέες θεωρίες κατέστησαν δυνατή την αλλαγή των ιδεών μας για τα κύματα και τα σωματίδια, για τη δυναμική και πιθανολογική περιγραφή, για τη συνεχή και τη διακριτή.

Η κβαντική φυσική δεν είναι απλώς μια νέα θεωρία.

Αυτή είναι μια θεωρία που κατάφερε να προβλέψει και να εξηγήσει έναν απίστευτο αριθμό φαινομένων - από διεργασίες που συμβαίνουν στους ατομικούς πυρήνες έως μακροσκοπικά αποτελέσματα στο διάστημα.

Η κβαντική φυσική - σε αντίθεση με την κλασική φυσική - μελετά την ύλη σε θεμελιώδες επίπεδο, δίνοντας ερμηνείες στα φαινόμενα της περιβάλλουσας πραγματικότητας που η παραδοσιακή φυσική δεν είναι σε θέση να δώσει (για παράδειγμα, γιατί τα άτομα παραμένουν σταθερά ή αν τα στοιχειώδη σωματίδια είναι πραγματικά στοιχειώδη).

Η κβαντική θεωρία μας δίνει τη δυνατότητα να περιγράψουμε τον κόσμο με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι ήταν αποδεκτό πριν από την έναρξή της.

Η σημασία της Κβαντικής Φυσικής

Οι θεωρητικές εξελίξεις που συνθέτουν την ουσία της κβαντικής φυσικής είναι εφαρμόσιμες στη μελέτη τόσο των αφάνταστα τεράστιων διαστημικών αντικειμένων όσο και των εξαιρετικά μικρών στοιχειωδών σωματιδίων.

κβαντική ηλεκτροδυναμικήμας βυθίζει στον κόσμο των φωτονίων και των ηλεκτρονίων, εστιάζοντας στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους.

Κβαντική θεωρία συμπυκνωμένης ύληςεμβαθύνει τις γνώσεις μας για τα υπερρευστά, τους μαγνήτες, τους υγρούς κρυστάλλους, τα άμορφα σώματα, τους κρυστάλλους και τα πολυμερή.

Φωτογραφία 3. Η κβαντική φυσική έχει δώσει στην ανθρωπότητα μια πολύ πιο ακριβή περιγραφή του κόσμου γύρω μας

Η επιστημονική έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες έχει επικεντρωθεί στη μελέτη της δομής κουάρκ των στοιχειωδών σωματιδίων στο πλαίσιο ενός ανεξάρτητου κλάδου της κβαντικής φυσικής - κβαντική χρωμοδυναμική.

Μη σχετικιστική κβαντική μηχανική(αυτό που ξεφεύγει από το πεδίο της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν) μελετά μικροσκοπικά αντικείμενα που κινούνται με σχετικά χαμηλή ταχύτητα (μικρότερη από), τις ιδιότητες των μορίων και των ατόμων, τη δομή τους.

κβαντική οπτικήασχολείται με την επιστημονική μελέτη των γεγονότων που σχετίζονται με την εκδήλωση των κβαντικών ιδιοτήτων του φωτός (φωτοχημικές διεργασίες, θερμική και διεγερμένη ακτινοβολία, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο).

κβαντική θεωρία πεδίουείναι μια ενοποιητική ενότητα που ενσωματώνει τις ιδέες της θεωρίας της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής.

Οι επιστημονικές θεωρίες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της κβαντικής φυσικής έχουν δώσει ισχυρή ώθηση στην ανάπτυξη της κβαντικής ηλεκτρονικής, της τεχνολογίας, της κβαντικής θεωρίας των στερεών, της επιστήμης των υλικών και της κβαντικής χημείας.

Χωρίς την εμφάνιση και την ανάπτυξη των σημειωμένων κλάδων της γνώσης, θα ήταν αδύνατο να δημιουργηθούν διαστημόπλοια, πυρηνικά παγοθραυστικά, κινητές επικοινωνίες και πολλές άλλες χρήσιμες εφευρέσεις.

Κανείς δεν καταλαβαίνει τι είναι η συνείδηση ​​και πώς λειτουργεί. Κανείς δεν καταλαβαίνει ούτε την κβαντική μηχανική. Θα μπορούσε αυτό να είναι κάτι περισσότερο από μια απλή σύμπτωση; «Δεν μπορώ να προσδιορίσω το πραγματικό πρόβλημα, οπότε υποπτεύομαι ότι δεν υπάρχει πραγματικό πρόβλημα, αλλά δεν είμαι σίγουρος ότι δεν υπάρχει πραγματικό πρόβλημα». Ο Αμερικανός φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν το είπε αυτό για τα αινιγματικά παράδοξα της κβαντικής μηχανικής. Σήμερα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτή τη θεωρία για να περιγράψουν τα μικρότερα αντικείμενα στο σύμπαν. Θα μπορούσε όμως να πει το ίδιο για το περίπλοκο πρόβλημα της συνείδησης.

Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι καταλαβαίνουμε ήδη τη συνείδηση ​​ή ότι είναι απλώς μια ψευδαίσθηση. Αλλά σε πολλούς άλλους, φαίνεται ότι δεν έχουμε πλησιάσει καν την ουσία της συνείδησης.

Το αιώνιο αίνιγμα που ονομάζεται «συνείδηση» έχει οδηγήσει ακόμη και ορισμένους επιστήμονες να προσπαθήσουν να το εξηγήσουν με την κβαντική φυσική. Αλλά η επιμέλειά τους αντιμετωπίστηκε με αρκετό σκεπτικισμό, και αυτό δεν προκαλεί έκπληξη: φαίνεται παράλογο να εξηγήσουμε ένα αίνιγμα με τη βοήθεια ενός άλλου.

Αλλά τέτοιες ιδέες δεν είναι ποτέ παράλογες και δεν προήλθαν καν από το ταβάνι.

Από τη μια πλευρά, προς μεγάλη δυσαρέσκεια των φυσικών, το μυαλό αρχικά αρνείται να κατανοήσει την πρώιμη κβαντική θεωρία. Επιπλέον, οι κβαντικοί υπολογιστές προβλέπεται να είναι ικανοί για πράγματα που οι κανονικοί υπολογιστές δεν μπορούν. Μας υπενθυμίζει ότι ο εγκέφαλός μας εξακολουθεί να είναι ικανός για κατορθώματα πέρα ​​από την τεχνητή νοημοσύνη. Η «κβαντική συνείδηση» χλευάζεται ευρέως ως μυστικιστική ανοησία, αλλά κανείς δεν μπόρεσε να τη διαλύσει οριστικά.

Η κβαντομηχανική είναι η καλύτερη θεωρία που έχουμε που μπορεί να περιγράψει τον κόσμο σε επίπεδο ατόμων και υποατομικών σωματιδίων. Ίσως το πιο διάσημο από τα μυστήρια της είναι το γεγονός ότι το αποτέλεσμα ενός κβαντικού πειράματος μπορεί να αλλάξει ανάλογα με το αν θα επιλέξουμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες των εμπλεκόμενων σωματιδίων ή όχι.

Όταν οι πρωτοπόροι της κβαντικής θεωρίας ανακάλυψαν για πρώτη φορά αυτό το «φαινόμενο παρατηρητή», ανησυχούσαν σοβαρά. Φαινόταν να υπονομεύει την υπόθεση στην καρδιά όλης της επιστήμης: ότι κάπου εκεί έξω υπάρχει ένας αντικειμενικός κόσμος ανεξάρτητος από εμάς. Αν πράγματι ο κόσμος συμπεριφέρεται ανάλογα με το πώς - ή αν - τον βλέπουμε, τι θα σήμαινε στην πραγματικότητα η «πραγματικότητα»;

Μερικοί επιστήμονες αναγκάστηκαν να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι η αντικειμενικότητα είναι μια ψευδαίσθηση και ότι η συνείδηση ​​πρέπει να παίζει ενεργό ρόλο στην κβαντική θεωρία. Άλλοι απλά δεν έβλεπαν καμία κοινή λογική σε αυτό. Για παράδειγμα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ενοχλήθηκε: υπάρχει το φεγγάρι μόνο όταν το κοιτάς;

Σήμερα, ορισμένοι φυσικοί υποψιάζονται ότι δεν είναι ότι η συνείδηση ​​επηρεάζει την κβαντική μηχανική ... αλλά ότι εμφανίστηκε καθόλου, χάρη σε αυτήν. Νομίζουν ότι μπορεί να χρειαζόμαστε κβαντική θεωρία για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί καθόλου ο εγκέφαλος. Μήπως ακριβώς όπως τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να βρίσκονται σε δύο μέρη την ίδια στιγμή, έτσι και ένας κβαντικός εγκέφαλος μπορεί να έχει στο μυαλό του δύο αμοιβαία αποκλειόμενα πράγματα ταυτόχρονα;

Αυτές οι ιδέες είναι αμφιλεγόμενες. Μπορεί να αποδειχθεί ότι η κβαντική φυσική δεν έχει καμία σχέση με το έργο της συνείδησης. Αλλά τουλάχιστον αποδεικνύουν ότι η περίεργη κβαντική θεωρία μας κάνει να σκεφτόμαστε περίεργα πράγματα.

Ο καλύτερος τρόπος για να διεισδύσει η κβαντική μηχανική στην ανθρώπινη συνείδηση ​​είναι μέσω του πειράματος της διπλής σχισμής. Φανταστείτε μια δέσμη φωτός που χτυπά μια οθόνη με δύο παράλληλες σχισμές που απέχουν πολύ κοντά. Μέρος του φωτός περνά μέσα από τις σχισμές και πέφτει σε άλλη οθόνη.

Μπορείτε να σκεφτείτε το φως ως κύμα. Όταν τα κύματα περνούν από δύο σχισμές, όπως στο πείραμα, συγκρούονται - παρεμβάλλονται - μεταξύ τους. Εάν οι κορυφές τους ταιριάζουν, ενισχύουν το ένα το άλλο, με αποτέλεσμα μια σειρά από ασπρόμαυρες λωρίδες φωτός σε μια δεύτερη μαύρη οθόνη.

Αυτό το πείραμα χρησιμοποιήθηκε για να δείξει την κυματική φύση του φωτός για περισσότερα από 200 χρόνια, μέχρι την εμφάνιση της κβαντικής θεωρίας. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε το πείραμα της διπλής σχισμής με κβαντικά σωματίδια - ηλεκτρόνια. Αυτά είναι μικροσκοπικά φορτισμένα σωματίδια, τα συστατικά ενός ατόμου. Κατά κάποιον περίεργο τρόπο, αυτά τα σωματίδια μπορούν να συμπεριφέρονται σαν κύματα. Δηλαδή, υφίστανται περίθλαση όταν ένα ρεύμα σωματιδίων διέρχεται από δύο σχισμές, παράγοντας ένα σχέδιο παρεμβολής.

Τώρα ας υποθέσουμε ότι τα κβαντικά σωματίδια περνούν από τις σχισμές μία προς μία και η άφιξή τους στην οθόνη θα παρατηρηθεί επίσης βήμα προς βήμα. Τώρα δεν υπάρχει τίποτα προφανές που θα έκανε το σωματίδιο να παρέμβει στην πορεία του. Αλλά το μοτίβο της πρόσκρουσης των σωματιδίων θα εξακολουθεί να παρουσιάζει κρόσσια παρεμβολής.

Όλα δείχνουν ότι κάθε σωματίδιο διέρχεται ταυτόχρονα και από τις δύο σχισμές και παρεμβαίνει στον εαυτό του. Αυτός ο συνδυασμός των δύο διαδρομών είναι γνωστός ως κατάσταση υπέρθεσης.

Αλλά εδώ είναι το περίεργο.

Εάν τοποθετήσουμε τον ανιχνευτή μέσα ή πίσω από μία από τις σχισμές, θα μπορούσαμε να μάθουμε εάν τα σωματίδια περνούν από αυτόν ή όχι. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, η παρέμβαση εξαφανίζεται. Το απλό γεγονός της παρατήρησης της διαδρομής του σωματιδίου - ακόμα κι αν αυτή η παρατήρηση δεν πρέπει να παρεμβαίνει στην κίνηση του σωματιδίου - αλλάζει το αποτέλεσμα.

Ο φυσικός Pascual Jordan, ο οποίος εργάστηκε με τον κβαντικό γκουρού Niels Bohr στην Κοπεγχάγη τη δεκαετία του 1920, το έθεσε ως εξής: «Οι παρατηρήσεις όχι μόνο διαταράσσουν αυτό που πρόκειται να μετρηθεί, αλλά το καθορίζουν… Αναγκάζουμε το κβαντικό σωματίδιο να επιλέξει μια συγκεκριμένη θέση». Με άλλα λόγια, ο Τζόρνταν λέει ότι «εμείς οι ίδιοι παράγουμε τις μετρήσεις».

Αν ναι, η αντικειμενική πραγματικότητα μπορεί απλά να πεταχτεί από το παράθυρο.

Όμως τα περίεργα δεν σταματούν εκεί.

Εάν η φύση αλλάξει τη συμπεριφορά της ανάλογα με το αν κοιτάζουμε ή όχι, μπορεί να προσπαθήσουμε να την απατήσουμε. Για να γίνει αυτό, θα μπορούσαμε να μετρήσουμε ποια διαδρομή πήρε το σωματίδιο όταν περνούσε από τη διπλή σχισμή, αλλά μόνο αφού είχε περάσει από αυτήν. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, θα έπρεπε ήδη να έχει «αποφασίσει» αν θα περάσει από ένα μονοπάτι ή και από τα δύο.

Ο Αμερικανός φυσικός John Wheeler πρότεινε ένα τέτοιο πείραμα τη δεκαετία του 1970 και τα επόμενα δέκα χρόνια πραγματοποιήθηκε το πείραμα της «καθυστερημένης επιλογής». Χρησιμοποιεί έξυπνες μεθόδους για να μετρήσει τις διαδρομές των κβαντικών σωματιδίων (συνήθως ελαφρών σωματιδίων - φωτονίων) αφού επιλέξουν ένα μονοπάτι ή μια υπέρθεση δύο.

Αποδείχθηκε ότι, όπως προέβλεψε ο Bohr, δεν έχει σημασία αν καθυστερούμε τις μετρήσεις ή όχι. Όσο μετράμε τη διαδρομή του φωτονίου προς το χτύπημα και την εγγραφή του στον ανιχνευτή, δεν υπάρχει παρεμβολή. Φαίνεται ότι η φύση «ξέρει» όχι μόνο πότε τιτιβίζουμε, αλλά και πότε σκοπεύουμε να τιτιβίζουμε.

Eugene Wigner

Κάθε φορά που ανακαλύπτουμε τη διαδρομή ενός κβαντικού σωματιδίου σε αυτά τα πειράματα, το σύννεφο πιθανών μονοπατιών του «συμπιέζεται» σε μια ενιαία, καλά καθορισμένη κατάσταση. Επιπλέον, το πείραμα καθυστέρησης υποδηλώνει ότι η ίδια η πράξη της παρατήρησης, χωρίς καμία φυσική παρέμβαση που προκαλείται από τη μέτρηση, μπορεί να προκαλέσει την κατάρρευση. Σημαίνει αυτό ότι η πραγματική κατάρρευση συμβαίνει μόνο όταν το αποτέλεσμα της μέτρησης φτάσει στη συνείδησή μας;

Αυτή η δυνατότητα προτάθηκε τη δεκαετία του 1930 από τον Ούγγρο φυσικό Eugene Wigner. «Από αυτό προκύπτει ότι η κβαντική περιγραφή των αντικειμένων επηρεάζεται από τις εντυπώσεις που εισέρχονται στη συνείδησή μου», έγραψε. «Ο σολιψισμός μπορεί να είναι λογικά συνεπής με την κβαντομηχανική».

Ο Wheeler διασκέδαζε ακόμη και με την ιδέα ότι το να υπάρχουν ζωντανά όντα ικανά να «παρατηρούν» είχε μετατρέψει όσα προηγουμένως ήταν πολλά πιθανά κβαντικά παρελθόντα σε μια συγκεκριμένη ιστορία. Με αυτή την έννοια, λέει ο Wheeler, γινόμαστε συμμετέχοντες στην εξέλιξη του σύμπαντος από την αρχή. Ζούμε σε ένα «συμμετοχικό σύμπαν», λέει.

Οι φυσικοί εξακολουθούν να μην μπορούν να αποφασίσουν για την καλύτερη ερμηνεία αυτών των κβαντικών πειραμάτων, και σε κάποιο βαθμό το δικαίωμα σας δίνεται. Όμως, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, η επίπτωση είναι προφανής: η συνείδηση ​​και η κβαντική μηχανική συνδέονται κατά κάποιο τρόπο.

Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980, ο Άγγλος φυσικός Roger Penrose πρότεινε ότι αυτή η σύνδεση θα μπορούσε να λειτουργήσει προς μια διαφορετική κατεύθυνση. Είπε ότι είτε η συνείδηση ​​επηρεάζει την κβαντική μηχανική είτε όχι, ίσως η κβαντική μηχανική εμπλέκεται στη συνείδηση.

Ο φυσικός και μαθηματικός Roger Penrose

Και ο Penrose ρώτησε επίσης: τι γίνεται αν υπάρχουν μοριακές δομές στον εγκέφαλό μας που μπορούν να αλλάξουν την κατάστασή τους ως απόκριση σε ένα μόνο κβαντικό γεγονός; Μπορούν αυτές οι δομές να λάβουν μια κατάσταση υπέρθεσης, όπως τα σωματίδια στο πείραμα της διπλής σχισμής; Θα μπορούσαν τότε αυτές οι κβαντικές υπερθέσεις να εμφανιστούν στον τρόπο που οι νευρώνες επικοινωνούν μέσω ηλεκτρικών σημάτων;

Θα μπορούσε, είπε ο Penrose, ότι η ικανότητά μας να διατηρούμε φαινομενικά ασύμβατες ψυχικές καταστάσεις δεν είναι μια αντιληπτική ιδιορρυθμία, αλλά ένα πραγματικό κβαντικό αποτέλεσμα;

Άλλωστε, ο ανθρώπινος εγκέφαλος φαίνεται να είναι σε θέση να επεξεργάζεται γνωστικές διαδικασίες που εξακολουθούν να είναι πολύ πέρα ​​από τις δυνατότητες των ψηφιακών υπολογιστών. Μπορεί ακόμη και να είμαστε σε θέση να εκτελέσουμε υπολογιστικές εργασίες που δεν μπορούν να εκτελεστούν σε συνηθισμένους υπολογιστές χρησιμοποιώντας την κλασική ψηφιακή λογική.

Ο Penrose πρότεινε για πρώτη φορά ότι τα κβαντικά αποτελέσματα είναι παρόντα στον ανθρώπινο νου στο βιβλίο του το 1989 The Emperor's New Mind. Η βασική του ιδέα ήταν «μια ενορχηστρωμένη αντικειμενική μείωση». Η αντικειμενική μείωση, σύμφωνα με τον Penrose, σημαίνει ότι η κατάρρευση της κβαντικής παρεμβολής και υπέρθεσης είναι μια πραγματική φυσική διαδικασία, όπως μια φυσαλίδα που σκάει.

Η ενορχηστρωμένη αντικειμενική μείωση βασίζεται στην υπόθεση του Penrose ότι η βαρύτητα, η οποία επηρεάζει καθημερινά αντικείμενα, καρέκλες ή πλανήτες, δεν παρουσιάζει κβαντικά αποτελέσματα. Ο Penrose πιστεύει ότι η κβαντική υπέρθεση καθίσταται αδύνατη για αντικείμενα μεγαλύτερα από τα άτομα, επειδή η βαρυτική τους επιρροή θα οδηγούσε τότε στην ύπαρξη δύο ασύμβατων εκδοχών του χωροχρόνου.

Ο Penrose ανέπτυξε περαιτέρω αυτή την ιδέα με τον Αμερικανό γιατρό Stuart Hameroff. Στο βιβλίο του Shadows of the Mind (1994), πρότεινε ότι οι δομές που εμπλέκονται σε αυτή την κβαντική γνώση θα μπορούσαν να είναι πρωτεϊνικά νήματα - μικροσωληνίσκοι. Βρίσκονται στα περισσότερα από τα κύτταρά μας, συμπεριλαμβανομένων των εγκεφαλικών νευρώνων. Οι Penrose και Hameroff υποστήριξαν ότι κατά τη διαδικασία της ταλάντωσης, οι μικροσωληνίσκοι μπορούν να λάβουν μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης.

Αλλά δεν υπάρχει τίποτα που να υποστηρίζει ότι αυτό είναι ακόμη δυνατό.

Τα πειράματα που προτάθηκαν το 2013 υποτίθεται ότι υποστήριζαν την ιδέα των κβαντικών υπερθέσεων σε μικροσωληνίσκους, αλλά στην πραγματικότητα, αυτές οι μελέτες δεν ανέφεραν κβαντικά αποτελέσματα. Επιπλέον, οι περισσότεροι ερευνητές πιστεύουν ότι η ιδέα των ενορχηστρωμένων αντικειμενικών μειώσεων καταρρίφθηκε από μια μελέτη που δημοσιεύθηκε το 2000. Ο φυσικός Max Tegmark υπολόγισε ότι οι κβαντικές υπερθέσεις των μορίων που εμπλέκονται στα νευρικά σήματα δεν μπορούν να επιβιώσουν ούτε για τη στιγμή που χρειάζεται για να μεταδοθεί ένα σήμα.

Τα κβαντικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένης της υπέρθεσης, είναι πολύ εύθραυστα και καταστρέφονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται αποσυνοχή. Αυτή η διαδικασία οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις ενός κβαντικού αντικειμένου με το περιβάλλον του, αφού η «κβαντικότητά» του διαρρέει.

Η αποσυνοχή θεωρήθηκε ότι είναι εξαιρετικά γρήγορη σε ζεστά και υγρά περιβάλλοντα όπως τα ζωντανά κύτταρα.

Τα νευρικά σήματα είναι ηλεκτρικές ώσεις που προκαλούνται από τη διέλευση ηλεκτρικά φορτισμένων ατόμων μέσω των τοιχωμάτων των νευρικών κυττάρων. Εάν ένα από αυτά τα άτομα βρισκόταν σε μια υπέρθεση και μετά συγκρούστηκε με έναν νευρώνα, ο Tegmark έδειξε ότι η υπέρθεση θα έπρεπε να διασπαστεί σε λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Χρειάζεται δέκα χιλιάδες τρισεκατομμύρια φορές περισσότερος χρόνος για να εκπέμψει ένα σήμα ένας νευρώνας.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ιδέες για τα κβαντικά αποτελέσματα στον εγκέφαλο δεν περνούν τη δοκιμασία των σκεπτικιστών.

Αλλά ο Penrose επιμένει αμείλικτα στην υπόθεση OOR. Και παρά την πρόβλεψη του Tegmark για υπερταχεία αποσυνοχή στα κύτταρα, άλλοι επιστήμονες έχουν βρει εκδηλώσεις κβαντικών επιδράσεων σε ζωντανά όντα. Κάποιοι υποστηρίζουν ότι η κβαντική μηχανική χρησιμοποιείται από αποδημητικά πουλιά που χρησιμοποιούν μαγνητική πλοήγηση και πράσινα φυτά όταν χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για να παράγουν ζάχαρη μέσω της φωτοσύνθεσης.

Με όλα αυτά, η ιδέα ότι ο εγκέφαλος μπορεί να χρησιμοποιήσει κβαντικά κόλπα αρνείται να φύγει για πάντα. Γιατί βρήκαν άλλο επιχείρημα υπέρ της.

Μπορεί ο φώσφορος να διατηρήσει μια κβαντική κατάσταση;

Σε μια μελέτη του 2015, ο φυσικός του UC Santa Barbara, Matthew Fisher, υποστήριξε ότι ο εγκέφαλος μπορεί να περιέχει μόρια που μπορούν να αντέξουν πιο ισχυρές κβαντικές υπερθέσεις. Συγκεκριμένα, πιστεύει ότι οι πυρήνες των ατόμων φωσφόρου μπορούν να έχουν μια τέτοια ικανότητα. Τα άτομα φωσφόρου βρίσκονται παντού στα ζωντανά κύτταρα. Συχνά παίρνουν τη μορφή φωσφορικών ιόντων, στα οποία ένα άτομο φωσφόρου συνδυάζεται με τέσσερα άτομα οξυγόνου.

Τέτοια ιόντα είναι η βασική μονάδα ενέργειας στα κύτταρα. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του κυττάρου αποθηκεύεται σε μόρια ATP, τα οποία περιέχουν μια ακολουθία τριών φωσφορικών ομάδων συνδεδεμένων με ένα οργανικό μόριο. Όταν διακόπτεται ένα από τα φωσφορικά άλατα, απελευθερώνεται ενέργεια που χρησιμοποιείται από το κύτταρο.

Τα κύτταρα διαθέτουν μοριακές μηχανές για τη συναρμολόγηση φωσφορικών ιόντων σε ομάδες και τη διάσπασή τους. Ο Fischer πρότεινε ένα σχήμα στο οποίο δύο φωσφορικά ιόντα θα μπορούσαν να τοποθετηθούν σε ένα συγκεκριμένο είδος υπέρθεσης: σε μια μπερδεμένη κατάσταση.

Οι πυρήνες του φωσφόρου έχουν μια κβαντική ιδιότητα - το σπιν - που τους κάνει να μοιάζουν με μικρούς μαγνήτες με πόλους που δείχνουν προς συγκεκριμένες κατευθύνσεις. Σε κατάσταση εμπλοκής, η περιστροφή ενός πυρήνα φωσφόρου εξαρτάται από τον άλλο. Με άλλα λόγια, οι εμπλεκόμενες καταστάσεις είναι καταστάσεις υπέρθεσης που περιλαμβάνουν περισσότερα από ένα κβαντικά σωματίδια.

Ο Fisher λέει ότι η κβαντομηχανική συμπεριφορά αυτών των πυρηνικών περιστροφών μπορεί να αντισταθεί στην αποσυνοχή. Συμφωνεί με τον Tegmark ότι οι κβαντικές δονήσεις για τις οποίες μίλησαν οι Penrose και Hameroff θα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το περιβάλλον τους και θα «αποσύνονται σχεδόν αμέσως». Αλλά οι περιστροφές των πυρήνων δεν αλληλεπιδρούν τόσο έντονα με το περιβάλλον τους.

Και όμως η κβαντική συμπεριφορά των σπιν των πυρήνων του φωσφόρου πρέπει να «προστατεύεται» από την αποσυνοχή.

Τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να έχουν διαφορετικά σπιν

Αυτό μπορεί να συμβεί, λέει ο Fischer, εάν τα άτομα φωσφόρου ενσωματωθούν σε μεγαλύτερα αντικείμενα που ονομάζονται «μόρια Posner». Είναι ομάδες έξι φωσφορικών ιόντων σε συνδυασμό με εννέα ιόντα ασβεστίου. Υπάρχουν κάποιες ενδείξεις ότι τέτοια μόρια μπορεί να υπάρχουν σε ζωντανά κύτταρα, αλλά μέχρι στιγμής δεν είναι πολύ πειστικά.

Στα μόρια Posner, υποστηρίζει ο Fischer, οι περιστροφές φωσφόρου μπορούν να αντισταθούν στην αποσυνοχή για μια μέρα περίπου, ακόμη και σε ζωντανά κύτταρα. Ως εκ τούτου, μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη λειτουργία του εγκεφάλου.

Η ιδέα είναι ότι τα μόρια Posner μπορούν να προσληφθούν από νευρώνες. Μόλις μπουν μέσα, τα μόρια θα ενεργοποιήσουν ένα σήμα σε έναν άλλο νευρώνα αποσυνθέτοντας και απελευθερώνοντας ιόντα ασβεστίου. Λόγω της εμπλοκής στα μόρια του Posner, δύο από αυτά τα σήματα μπορούν να εμπλακούν με τη σειρά τους: κατά κάποιο τρόπο, θα ήταν μια κβαντική υπέρθεση της «σκέψης». «Εάν η κβαντική επεξεργασία με πυρηνικά σπιν είναι πράγματι παρούσα στον εγκέφαλο, θα ήταν ένα εξαιρετικά κοινό φαινόμενο που συμβαίνει συνεχώς», λέει ο Fisher.

Η ιδέα του ήρθε για πρώτη φορά όταν σκεφτόταν την ψυχική ασθένεια.

Κάψουλα ανθρακικού λιθίου

«Η εισαγωγή μου στη βιοχημεία του εγκεφάλου ξεκίνησε όταν αποφάσισα πριν από τρία έως τέσσερα χρόνια να ερευνήσω πώς και γιατί το ιόν λιθίου έχει τόσο δραστική επίδραση στη θεραπεία ψυχικών διαταραχών», λέει ο Fisher.

Τα φάρμακα λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία της διπολικής διαταραχής. Λειτουργούν, αλλά κανείς δεν ξέρει πραγματικά γιατί.

«Δεν έψαχνα για μια κβαντική εξήγηση», λέει ο Fisher. Στη συνέχεια, όμως, έπεσε πάνω σε ένα χαρτί που περιέγραφε πώς τα παρασκευάσματα λιθίου είχαν διαφορετικά αποτελέσματα στη συμπεριφορά των αρουραίων ανάλογα με τη μορφή - ή "ισότοπο" - λιθίου που χρησιμοποιήθηκε.

Στην αρχή, αυτό μπέρδεψε τους επιστήμονες. Από χημική άποψη, διαφορετικά ισότοπα συμπεριφέρονται σχεδόν με τον ίδιο τρόπο, οπότε αν το λίθιο λειτουργούσε όπως ένα συμβατικό φάρμακο, τα ισότοπα θα έπρεπε να είχαν το ίδιο αποτέλεσμα.

Τα νευρικά κύτταρα συνδέονται με τις συνάψεις

Αλλά ο Fisher συνειδητοποίησε ότι οι πυρήνες των ατόμων διαφορετικών ισοτόπων λιθίου μπορούν να έχουν διαφορετικά σπιν. Αυτή η κβαντική ιδιότητα θα μπορούσε να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν τα φάρμακα με βάση το λίθιο. Για παράδειγμα, εάν το λίθιο αντικαταστήσει το ασβέστιο στα μόρια Posner, οι περιστροφές λιθίου μπορεί να έχουν επίδραση στα άτομα του φωσφόρου και να αποτρέψουν την εμπλοκή τους.

Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το λίθιο μπορεί να θεραπεύσει τη διπολική διαταραχή.

Αυτή τη στιγμή, η πρόταση του Fisher δεν είναι παρά μια ενδιαφέρουσα ιδέα. Υπάρχουν όμως διάφοροι τρόποι για να το ελέγξετε. Για παράδειγμα, ότι οι περιστροφές του φωσφόρου στα μόρια Posner μπορούν να διατηρήσουν την κβαντική συνοχή για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτός είναι ο Fisher και σκοπεύει να ελέγξει περαιτέρω.

Ωστόσο, είναι επιφυλακτικός σχετικά με τη συσχέτιση με προηγούμενες έννοιες της «κβαντικής συνείδησης», τις οποίες θεωρεί στην καλύτερη περίπτωση κερδοσκοπικές.

Η συνείδηση ​​είναι ένα βαθύ μυστήριο

Στους φυσικούς δεν αρέσει να βρίσκονται μέσα στις δικές τους θεωρίες. Πολλοί από αυτούς ελπίζουν ότι η συνείδηση ​​και ο εγκέφαλος μπορούν να εξαχθούν από την κβαντική θεωρία, και ίσως το αντίστροφο. Αλλά δεν ξέρουμε τι είναι η συνείδηση, για να μην αναφέρουμε το γεγονός ότι δεν έχουμε μια θεωρία που να την περιγράφει.

Επιπλέον, περιστασιακά ακούγονται δυνατές κραυγές ότι η κβαντική μηχανική θα μας επιτρέψει να κατακτήσουμε την τηλεπάθεια και την τηλεκίνηση (και παρόλο που κάπου στο βάθος των εννοιών αυτό μπορεί να ισχύει, οι άνθρωποι παίρνουν τα πάντα πολύ κυριολεκτικά). Επομένως, οι φυσικοί γενικά φοβούνται να αναφέρουν τις λέξεις «κβαντικό» και «συνείδηση» στην ίδια πρόταση.

Το 2016, ο Adrian Kent του Πανεπιστημίου του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο, ένας από τους πιο σεβαστούς «κβαντικούς φιλοσόφους», πρότεινε ότι η συνείδηση ​​μπορεί να αλλάξει τη συμπεριφορά των κβαντικών συστημάτων με λεπτούς αλλά ανιχνεύσιμους τρόπους. Ο Κεντ είναι πολύ προσεκτικός στις δηλώσεις του. «Δεν υπάρχει κανένας πειστικός λόγος να πιστεύουμε ότι η κβαντική θεωρία είναι μια κατάλληλη θεωρία από την οποία μπορεί να αντληθεί μια θεωρία της συνείδησης ή ότι τα προβλήματα της κβαντικής θεωρίας θα πρέπει με κάποιο τρόπο να διασταυρώνονται με το πρόβλημα της συνείδησης», παραδέχεται.

Αλλά προσθέτει ότι είναι εντελώς ακατανόητο πώς μπορεί κανείς να αντλήσει μια περιγραφή της συνείδησης, βασισμένη αποκλειστικά στην προ-κβαντική φυσική, πώς να περιγράψει όλες τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά της.

Δεν καταλαβαίνουμε πώς λειτουργούν οι σκέψεις

Ένα ιδιαίτερα συναρπαστικό ερώτημα είναι πώς το συνειδητό μυαλό μας μπορεί να βιώσει μοναδικές αισθήσεις όπως το κόκκινο χρώμα ή τη μυρωδιά του ψητού κρέατος. Εκτός από τα άτομα με προβλήματα όρασης, όλοι γνωρίζουμε πώς μοιάζει το κόκκινο, αλλά δεν μπορούμε να περιγράψουμε το συναίσθημα και δεν υπάρχει τίποτα στη φυσική που να μπορεί να μας πει πώς μοιάζει.

Τα συναισθήματα όπως αυτά ονομάζονται qualia. Τα αντιλαμβανόμαστε ως ενοποιημένες ιδιότητες του εξωτερικού κόσμου, αλλά στην πραγματικότητα είναι προϊόντα της συνείδησής μας - και αυτό είναι δύσκολο να εξηγηθεί. Το 1995, ο φιλόσοφος Ντέιβιντ Τσάλμερς αποκάλεσε αυτό το «σκληρό πρόβλημα» της συνείδησης.

«Οποιαδήποτε διανοητική αλυσίδα σχετικά με τη σύνδεση της συνείδησης με τη φυσική οδηγεί σε σοβαρά προβλήματα», λέει ο Κεντ.

Αυτό τον ώθησε να προτείνει ότι «θα μπορούσαμε να σημειώσουμε κάποια πρόοδο στην κατανόηση του προβλήματος της εξέλιξης της συνείδησης αν επιτρέπαμε (ή ακόμα και απλώς υποθέταμε) ότι η συνείδηση ​​αλλάζει τις κβαντικές πιθανότητες».

Με άλλα λόγια, ο εγκέφαλος μπορεί πραγματικά να επηρεάσει τα αποτελέσματα των μετρήσεων.

Από αυτή την άποψη δεν ορίζει «τι είναι πραγματικό». Αλλά μπορεί να επηρεάσει την πιθανότητα να παρατηρηθεί καθεμία από τις πιθανές πραγματικότητες που επιβάλλονται από την κβαντική μηχανική. Ακόμη και η ίδια η κβαντική θεωρία δεν μπορεί να το προβλέψει. Και ο Κεντ πιστεύει ότι θα μπορούσαμε να αναζητήσουμε τέτοιες εκδηλώσεις πειραματικά. Ακόμη και με τόλμη αξιολογεί τις πιθανότητες να τα βρει.

«Θα υπέθεσα με 15 τοις εκατό βεβαιότητα ότι η συνείδηση ​​προκαλεί αποκλίσεις από την κβαντική θεωρία. και άλλο 3 τοις εκατό που θα το επιβεβαιώσουμε πειραματικά τα επόμενα 50 χρόνια», λέει.

Αν συμβεί αυτό, ο κόσμος δεν θα είναι πια ο ίδιος. Και για αυτό, αξίζει να το εξερευνήσετε.

Σίγουρα έχετε ακούσει πολλές φορές για τα ανεξήγητα μυστήρια της κβαντικής φυσικής και της κβαντικής μηχανικής. Οι νόμοι του γοητεύουν τον μυστικισμό και ακόμη και οι ίδιοι οι φυσικοί παραδέχονται ότι δεν τους κατανοούν πλήρως. Από τη μια, είναι περίεργο να κατανοήσουμε αυτούς τους νόμους, αλλά από την άλλη, δεν υπάρχει χρόνος για να διαβάσουμε πολύτομα και πολύπλοκα βιβλία για τη φυσική. Σε καταλαβαίνω πάρα πολύ, γιατί αγαπώ επίσης τη γνώση και την αναζήτηση της αλήθειας, αλλά ο χρόνος δεν είναι αρκετός για όλα τα βιβλία. Δεν είστε μόνοι, τόσοι πολλοί περίεργοι άνθρωποι πληκτρολογούν στη γραμμή αναζήτησης: "κβαντική φυσική για ανδρείκελα, κβαντική μηχανική για ανδρείκελα, κβαντική φυσική για αρχάριους, κβαντική μηχανική για αρχάριους, βασικά στοιχεία κβαντικής φυσικής, βασικά στοιχεία κβαντικής μηχανικής, κβαντική φυσική για παιδιά , τι είναι η κβαντική μηχανική». Αυτή η ανάρτηση είναι για εσάς.

Θα κατανοήσετε τις βασικές έννοιες και τα παράδοξα της κβαντικής φυσικής. Από το άρθρο θα μάθετε:

• Τι είναι η κβαντική φυσική και η κβαντική μηχανική;
• Τι είναι η παρεμβολή;
• Τι είναι η κβαντική εμπλοκή (ή η κβαντική τηλεμεταφορά για ανδρείκελα); (δείτε άρθρο)
• Τι είναι το πείραμα σκέψης του Schrödinger's Cat; (δείτε άρθρο)

Η κβαντική μηχανική είναι μέρος της κβαντικής φυσικής.

Γιατί είναι τόσο δύσκολο να κατανοήσουμε αυτές τις επιστήμες; Η απάντηση είναι απλή: η κβαντική φυσική και η κβαντική μηχανική (ένα μέρος της κβαντικής φυσικής) μελετούν τους νόμους του μικροκόσμου. Και αυτοί οι νόμοι είναι απολύτως διαφορετικοί από τους νόμους του μακρόκοσμου μας. Επομένως, είναι δύσκολο για εμάς να φανταστούμε τι συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια στον μικρόκοσμο.

Ένα παράδειγμα της διαφοράς μεταξύ των νόμων των μακρο- και των μικροκόσμων: στον μακρόκοσμό μας, αν βάλετε μια μπάλα σε ένα από τα 2 κουτιά, τότε το ένα από αυτά θα είναι άδειο και το άλλο - μια μπάλα. Αλλά στον μικρόκοσμο (αν αντί για μπάλα - ένα άτομο), ένα άτομο μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο κουτιά. Αυτό έχει επιβεβαιωθεί επανειλημμένα πειραματικά. Δεν είναι δύσκολο να το βάλεις στο κεφάλι σου; Αλλά δεν μπορείς να διαφωνήσεις με τα γεγονότα.

Ένα ακόμη παράδειγμα.Φωτογραφίσατε ένα γρήγορο αγωνιστικό κόκκινο σπορ αυτοκίνητο και στη φωτογραφία είδατε μια θολή οριζόντια λωρίδα, σαν το αυτοκίνητο τη στιγμή της φωτογραφίας να ήταν από πολλά σημεία στο διάστημα. Παρά τα όσα βλέπετε στη φωτογραφία, εξακολουθείτε να είστε σίγουροι ότι το αυτοκίνητο ήταν τη στιγμή που το φωτογραφίσατε. σε ένα συγκεκριμένο μέρος στο χώρο. Όχι τόσο στον μικρό κόσμο. Ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου δεν περιστρέφεται στην πραγματικότητα, αλλά βρίσκεται ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία της σφαίραςγύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Σαν μια χαλαρά τυλιγμένη μπάλα από αφράτο μαλλί. Αυτή η έννοια στη φυσική ονομάζεται «ηλεκτρονικό σύννεφο» .

Μια μικρή παρέκκλιση στην ιστορία.Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες σκέφτηκαν τον κβαντικό κόσμο όταν, το 1900, ο Γερμανός φυσικός Μαξ Πλανκ προσπάθησε να ανακαλύψει γιατί τα μέταλλα αλλάζουν χρώμα όταν θερμαίνονται. Ήταν αυτός που εισήγαγε την έννοια του κβαντικού. Πριν από αυτό, οι επιστήμονες πίστευαν ότι το φως ταξίδευε συνεχώς. Ο πρώτος άνθρωπος που πήρε στα σοβαρά την ανακάλυψη του Πλανκ ήταν ο τότε άγνωστος Άλμπερτ Αϊνστάιν. Συνειδητοποίησε ότι το φως δεν είναι μόνο ένα κύμα. Μερικές φορές συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο. Ο Αϊνστάιν έλαβε το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψή του ότι το φως εκπέμπεται σε μερίδες, κβάντα. Ένα κβάντο φωτός ονομάζεται φωτόνιο ( φωτόνιο, Βικιπαίδεια) .

Για να γίνει πιο εύκολη η κατανόηση των νόμων του κβαντικού η φυσικηκαι μηχανική (Wikipedia), είναι απαραίτητο, με μια ορισμένη έννοια, να αφαιρεθούμε από τους γνωστούς σε εμάς νόμους της κλασικής φυσικής. Και φανταστείτε ότι βουτήξατε, όπως η Αλίκη, στην τρύπα του κουνελιού, στη Χώρα των Θαυμάτων.

Και εδώ είναι ένα καρτούν για παιδιά και ενήλικες.Μιλάει για το θεμελιώδες πείραμα της κβαντικής μηχανικής με 2 σχισμές και έναν παρατηρητή. Διαρκεί μόνο 5 λεπτά. Παρακολουθήστε το πριν εμβαθύνουμε στις βασικές ερωτήσεις και έννοιες της κβαντικής φυσικής.

Βίντεο κβαντική φυσική για ομοιώματα. Στο καρτούν, προσέξτε το «μάτι» του παρατηρητή. Έχει γίνει ένα σοβαρό μυστήριο για τους φυσικούς.

Τι είναι η παρεμβολή;

Στην αρχή του κινουμένου σχεδίου, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός υγρού, δείχθηκε πώς συμπεριφέρονται τα κύματα - εναλλασσόμενες σκοτεινές και ανοιχτόχρωμες κάθετες λωρίδες εμφανίζονται στην οθόνη πίσω από μια πλάκα με υποδοχές. Και στην περίπτωση που διακριτά σωματίδια (για παράδειγμα, βότσαλα) «πυροβοληθούν» στην πλάκα, περνούν μέσα από 2 υποδοχές και χτυπούν την οθόνη ακριβώς απέναντι από τις υποδοχές. Και «ζωγραφίστε» στην οθόνη μόνο 2 κάθετες ρίγες.

Φωτεινή παρεμβολή- Αυτή είναι η «κυματική» συμπεριφορά του φωτός, όταν εμφανίζονται πολλές εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές κάθετες ρίγες στην οθόνη. Και αυτές οι κάθετες ρίγες ονομάζεται μοτίβο παρεμβολής.

Στον μακρόκοσμό μας, παρατηρούμε συχνά ότι το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα. Εάν βάλετε το χέρι σας μπροστά από το κερί, τότε στον τοίχο δεν θα υπάρχει καθαρή σκιά από το χέρι, αλλά με θολά περιγράμματα.

Οπότε, δεν είναι και τόσο δύσκολο! Είναι πλέον ξεκάθαρο για εμάς ότι το φως έχει κυματική φύση και αν 2 σχισμές φωτίζονται με φως, τότε στην οθόνη πίσω από αυτές θα δούμε ένα μοτίβο παρεμβολής. Τώρα σκεφτείτε το 2ο πείραμα. Πρόκειται για το περίφημο πείραμα Stern-Gerlach (το οποίο διεξήχθη τη δεκαετία του 20 του περασμένου αιώνα).

Στην εγκατάσταση που περιγράφεται στο καρτούν, δεν έλαμπαν με φως, αλλά "πυροβολήθηκαν" με ηλεκτρόνια (ως ξεχωριστά σωματίδια). Τότε, στις αρχές του περασμένου αιώνα, οι φυσικοί σε όλο τον κόσμο πίστευαν ότι τα ηλεκτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια της ύλης και δεν πρέπει να έχουν κυματική φύση, αλλά ίδια με τα βότσαλα. Τελικά, τα ηλεκτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, σωστά; Δηλαδή, αν «πεταχτούν» σε 2 υποδοχές, σαν βότσαλα, τότε στην οθόνη πίσω από τις υποδοχές θα πρέπει να δούμε 2 κάθετες ρίγες.

Αλλά… Το αποτέλεσμα ήταν εκπληκτικό. Οι επιστήμονες είδαν ένα μοτίβο παρεμβολής - πολλές κάθετες ρίγες. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια, όπως το φως, μπορούν επίσης να έχουν κυματική φύση, μπορούν να παρεμβαίνουν. Από την άλλη, έγινε σαφές ότι το φως δεν είναι μόνο κύμα, αλλά και σωματίδιο - φωτόνιο (από το ιστορικό υπόβαθρο στην αρχή του άρθρου μάθαμε ότι ο Αϊνστάιν έλαβε το βραβείο Νόμπελ για αυτή την ανακάλυψη).

Ίσως θυμάστε ότι στο σχολείο μας έλεγαν για τη φυσική «δυϊσμός σωματιδίων-κύματος»? Σημαίνει ότι όταν πρόκειται για πολύ μικρά σωματίδια (άτομα, ηλεκτρόνια) του μικροκόσμου, τότε είναι και κύματα και σωματίδια

Είναι σήμερα που εσείς και εγώ είμαστε τόσο έξυπνοι και καταλαβαίνουμε ότι τα 2 πειράματα που περιγράφονται παραπάνω - πυροδότηση ηλεκτρονίων και φωτισμός σχισμών με φως - είναι ένα και το αυτό. Επειδή πυροδοτούμε κβαντικά σωματίδια στις σχισμές. Τώρα ξέρουμε ότι τόσο το φως όσο και τα ηλεκτρόνια είναι κβαντικής φύσης, είναι και κύματα και σωματίδια ταυτόχρονα. Και στις αρχές του 20ου αιώνα, τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος ήταν μια αίσθηση.

Προσοχή! Τώρα ας περάσουμε σε ένα πιο λεπτό θέμα.

Λάμπουμε στις σχισμές μας με ένα ρεύμα φωτονίων (ηλεκτρόνια) - και βλέπουμε ένα μοτίβο παρεμβολής (κάθετες ρίγες) πίσω από τις σχισμές στην οθόνη. Είναι ξεκάθαρο. Μας ενδιαφέρει όμως να δούμε πώς κάθε ένα από τα ηλεκτρόνια πετά μέσα από τη σχισμή.

Πιθανώς, το ένα ηλεκτρόνιο πετά προς την αριστερή σχισμή, το άλλο προς τα δεξιά. Στη συνέχεια όμως θα πρέπει να εμφανιστούν 2 κάθετες ρίγες στην οθόνη ακριβώς απέναντι από τις υποδοχές. Γιατί προκύπτει ένα μοτίβο παρεμβολής; Ίσως τα ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν με κάποιο τρόπο μεταξύ τους ήδη στην οθόνη αφού πετάξουν μέσα από τις σχισμές. Και το αποτέλεσμα είναι ένα τέτοιο μοτίβο κυμάτων. Πώς μπορούμε να το ακολουθήσουμε αυτό;

Θα ρίξουμε ηλεκτρόνια όχι σε μια δέσμη, αλλά ένα κάθε φορά. Αφήστε το, περιμένετε, ρίξτε το επόμενο. Τώρα, όταν το ηλεκτρόνιο πετά μόνο του, δεν θα μπορεί πλέον να αλληλεπιδρά στην οθόνη με άλλα ηλεκτρόνια. Θα καταχωρήσουμε στην οθόνη κάθε ηλεκτρόνιο μετά τη ρίψη. Ένα ή δύο, φυσικά, δεν θα μας «ζωγραφίσουν» μια ξεκάθαρη εικόνα. Αλλά όταν ένα-ένα στείλουμε πολλά από αυτά στις υποδοχές, θα παρατηρήσουμε ... ω φρίκη - και πάλι «σχεδίασαν» ένα μοτίβο κυμάτων παρεμβολής!

Αρχίζουμε σιγά σιγά να τρελαίνουμε. Εξάλλου, περιμέναμε ότι θα υπήρχαν 2 κάθετες ρίγες απέναντι από τις υποδοχές! Αποδεικνύεται ότι όταν ρίχναμε φωτόνια ένα-ένα, το καθένα από αυτά περνούσε, σαν να λέγαμε, από 2 σχισμές ταυτόχρονα και παρενέβαινε στον εαυτό του. Μυθιστόρημα! Θα επιστρέψουμε στην εξήγηση αυτού του φαινομένου στην επόμενη ενότητα.

Τι είναι η περιστροφή και η υπέρθεση;

Τώρα ξέρουμε τι είναι η παρέμβαση. Αυτή είναι η κυματική συμπεριφορά των μικροσωματιδίων - φωτόνια, ηλεκτρόνια, άλλα μικροσωματίδια (ας τα ονομάζουμε φωτόνια για απλότητα από εδώ και πέρα).

Ως αποτέλεσμα του πειράματος, όταν ρίξαμε 1 φωτόνιο σε 2 σχισμές, συνειδητοποιήσαμε ότι πετάει σαν μέσα από δύο σχισμές ταυτόχρονα. Πώς αλλιώς να εξηγήσω το μοτίβο παρεμβολών στην οθόνη;

Αλλά πώς να φανταστεί κανείς μια εικόνα ότι ένα φωτόνιο πετά μέσα από δύο σχισμές ταυτόχρονα; Υπάρχουν 2 επιλογές.

• 1η επιλογή:φωτόνιο, σαν κύμα (σαν νερό) «επιπλέει» μέσα από 2 σχισμές ταυτόχρονα
• 2η επιλογή:ένα φωτόνιο, όπως ένα σωματίδιο, πετά ταυτόχρονα κατά μήκος 2 τροχιών (ούτε καν δύο, αλλά όλες ταυτόχρονα)

Κατ' αρχήν, αυτές οι δηλώσεις είναι ισοδύναμες. Φτάσαμε στο «μονοπάτι αναπόσπαστο». Αυτή είναι η διατύπωση της κβαντικής μηχανικής του Richard Feynman.

Με την ευκαιρία, ακριβώς Ρίτσαρντ Φάινμανανήκει στη γνωστή έκφραση που μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα ότι κανείς δεν καταλαβαίνει την κβαντική μηχανική

Όμως αυτή του η έκφραση λειτούργησε στις αρχές του αιώνα. Αλλά τώρα είμαστε έξυπνοι και ξέρουμε ότι ένα φωτόνιο μπορεί να συμπεριφέρεται και ως σωματίδιο και ως κύμα. Ότι μπορεί, με κάποιο τρόπο ακατανόητο για εμάς, να πετάει ταυτόχρονα μέσα από 2 αυλακώσεις. Επομένως, θα είναι εύκολο για εμάς να κατανοήσουμε την ακόλουθη σημαντική δήλωση της κβαντικής μηχανικής:

Αυστηρά μιλώντας, η κβαντομηχανική μας λέει ότι αυτή η συμπεριφορά φωτονίων είναι ο κανόνας, όχι η εξαίρεση. Κάθε κβαντικό σωματίδιο βρίσκεται, κατά κανόνα, σε πολλές καταστάσεις ή σε πολλά σημεία του χώρου ταυτόχρονα.

Τα αντικείμενα του μακρόκοσμου μπορούν να βρίσκονται μόνο σε ένα συγκεκριμένο μέρος και σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Όμως ένα κβαντικό σωματίδιο υπάρχει σύμφωνα με τους δικούς του νόμους. Και δεν τη νοιάζει που δεν τους καταλαβαίνουμε. Αυτό είναι το θέμα.

Μένει απλώς να δεχτούμε ως αξίωμα ότι η «υπέρθεση» ενός κβαντικού αντικειμένου σημαίνει ότι μπορεί να βρίσκεται σε 2 ή περισσότερες τροχιές ταυτόχρονα, σε 2 ή περισσότερα σημεία ταυτόχρονα

Το ίδιο ισχύει και για μια άλλη παράμετρο φωτονίου - το σπιν (τη δική του γωνιακή ορμή). Το Spin είναι ένα διάνυσμα. Ένα κβαντικό αντικείμενο μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. Έχουμε συνηθίσει το γεγονός ότι το διάνυσμα μαγνήτη (σπιν) είτε κατευθύνεται προς τα πάνω είτε προς τα κάτω. Αλλά το ηλεκτρόνιο ή το φωτόνιο μας λέει ξανά: «Παιδιά, δεν μας νοιάζει τι έχετε συνηθίσει, μπορούμε να είμαστε και στις δύο καταστάσεις σπιν ταυτόχρονα (διάνυσμα επάνω, διάνυσμα κάτω), όπως ακριβώς μπορούμε να είμαστε σε 2 τροχιές στο την ίδια ώρα ή σε 2 σημεία ταυτόχρονα!

Τι είναι η "μέτρηση" ή "κατάρρευση κυματοσυνάρτησης";

Μας μένει λίγο - να καταλάβουμε τι είναι «μέτρηση» και τι είναι «κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης».

κυματική συνάρτησηείναι μια περιγραφή της κατάστασης ενός κβαντικού αντικειμένου (το φωτόνιο ή το ηλεκτρόνιό μας).

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα ηλεκτρόνιο, που πετά προς τον εαυτό του σε απροσδιόριστη κατάσταση, η περιστροφή του κατευθύνεται ταυτόχρονα προς τα πάνω και προς τα κάτω. Πρέπει να μετρήσουμε την κατάστασή του.

Ας μετρήσουμε χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο: τα ηλεκτρόνια των οποίων το σπιν κατευθυνόταν προς την κατεύθυνση του πεδίου θα αποκλίνουν προς τη μία κατεύθυνση και τα ηλεκτρόνια των οποίων το σπιν στρέφεται ενάντια στο πεδίο θα αποκλίνουν προς την άλλη κατεύθυνση. Τα φωτόνια μπορούν επίσης να σταλούν σε ένα φίλτρο πόλωσης. Αν το σπιν (πόλωση) ενός φωτονίου είναι +1, περνά μέσα από το φίλτρο και αν είναι -1, τότε όχι.

Να σταματήσει! Εδώ αναπόφευκτα τίθεται το ερώτημα:πριν τη μέτρηση, άλλωστε, το ηλεκτρόνιο δεν είχε κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση σπιν, σωστά; Ήταν σε όλες τις πολιτείες ταυτόχρονα;

Αυτό είναι το κόλπο και η αίσθηση της κβαντικής μηχανικής.. Εφόσον δεν μετράτε την κατάσταση ενός κβαντικού αντικειμένου, μπορεί να περιστρέφεται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση (έχει οποιαδήποτε κατεύθυνση του δικού του διανύσματος γωνιακής ορμής - σπιν). Αλλά τη στιγμή που μετρήσατε την κατάστασή του, φαίνεται να αποφασίζει ποιο διάνυσμα spin θα πάρει.

Αυτό το κβαντικό αντικείμενο είναι τόσο δροσερό - παίρνει μια απόφαση για την κατάστασή του.Και δεν μπορούμε να προβλέψουμε εκ των προτέρων τι απόφαση θα πάρει όταν πετάξει στο μαγνητικό πεδίο στο οποίο το μετράμε. Η πιθανότητα να αποφασίσει να έχει ένα διάνυσμα spin "πάνω" ή "κάτω" είναι 50 έως 50%. Αλλά μόλις το αποφασίσει, βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη κατάσταση με μια συγκεκριμένη κατεύθυνση περιστροφής. Ο λόγος της απόφασής του είναι η δική μας «διάσταση»!

Αυτό ονομάζεται " κατάρρευση κυματικής συνάρτησης". Η κυματική συνάρτηση πριν τη μέτρηση ήταν αόριστη, δηλ. το διάνυσμα σπιν ηλεκτρονίων ήταν ταυτόχρονα προς όλες τις κατευθύνσεις, μετά τη μέτρηση, το ηλεκτρόνιο καθόρισε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση του διανύσματος σπιν του.

Προσοχή! Ένα εξαιρετικό παράδειγμα-σύνδεση από τον μακρόκοσμό μας για κατανόηση:

Γυρίστε ένα νόμισμα στο τραπέζι σαν μια κορυφή. Ενώ το νόμισμα περιστρέφεται, δεν έχει συγκεκριμένη σημασία - κεφάλια ή ουρές. Αλλά μόλις αποφασίσετε να «μετρήσετε» αυτήν την τιμή και να χτυπήσετε το κέρμα με το χέρι σας, εδώ θα βρείτε τη συγκεκριμένη κατάσταση των νομισμάτων - κεφαλές ή ουρές. Τώρα φανταστείτε ότι αυτό το νόμισμα αποφασίζει ποια αξία θα σας «δείξει» - κεφάλια ή ουρές. Το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται περίπου με τον ίδιο τρόπο.

Τώρα θυμηθείτε το πείραμα που φαίνεται στο τέλος του καρτούν. Όταν τα φωτόνια περνούσαν μέσα από τις σχισμές, συμπεριφέρονταν σαν κύμα και έδειχναν ένα μοτίβο παρεμβολής στην οθόνη. Και όταν οι επιστήμονες θέλησαν να διορθώσουν (μετρήσουν) τη στιγμή που τα φωτόνια πέρασαν από τη σχισμή και έβαλαν έναν «παρατηρητή» πίσω από την οθόνη, τα φωτόνια άρχισαν να συμπεριφέρονται όχι σαν κύματα, αλλά σαν σωματίδια. Και «σχεδίασε» 2 κάθετες ρίγες στην οθόνη. Εκείνοι. τη στιγμή της μέτρησης ή της παρατήρησης, τα κβαντικά αντικείμενα επιλέγουν τα ίδια σε ποια κατάσταση θα πρέπει να βρίσκονται.

Μυθιστόρημα! Δεν είναι?

Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Τέλος εμείς έφτασε στο πιο ενδιαφέρον.

Αλλά ... μου φαίνεται ότι θα υπάρξει υπερφόρτωση πληροφοριών, οπότε θα εξετάσουμε αυτές τις 2 έννοιες σε ξεχωριστές αναρτήσεις:

• Τι ?
• Τι είναι ένα πείραμα σκέψης.

Και τώρα, θέλετε οι πληροφορίες να μπουν στα ράφια; Παρακολουθήστε ένα ντοκιμαντέρ παραγωγής του Καναδικού Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής. Σε 20 λεπτά, θα σας πει πολύ σύντομα και με χρονολογική σειρά για όλες τις ανακαλύψεις της κβαντικής φυσικής, ξεκινώντας από την ανακάλυψη του Planck το 1900. Και μετά θα σας πουν ποιες πρακτικές εξελίξεις πραγματοποιούνται επί του παρόντος με βάση τις γνώσεις της κβαντικής φυσικής: από τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια έως τους υπερταχείς υπολογισμούς ενός κβαντικού υπολογιστή. Συνιστώ ανεπιφύλακτα να παρακολουθήσετε αυτήν την ταινία.

Τα λέμε!

Εύχομαι σε όλους σας έμπνευση για όλα τα σχέδια και τα έργα σας!

P.S.2 Γράψτε τις ερωτήσεις και τις σκέψεις σας στα σχόλια. Γράψτε, ποιες άλλες ερωτήσεις σχετικά με την κβαντική φυσική σας ενδιαφέρουν;

P.S.3 Εγγραφείτε στο blog - τη φόρμα συνδρομής κάτω από το άρθρο.