U kvantnoj fizici treba tako reći. Postoji čudna veza između ljudske svijesti i kvantne fizike

Novi eksperiment mogao bi rasvijetliti iznenađujuću skrivenu mehaniku kvantnih superpozicija.

Superpozicija- koncept da sićušni objekti mogu postojati na nekoliko mjesta ili stanja u isto vrijeme - kamen je temeljac kvantne fizike. Novi eksperiment pokušava rasvijetliti ovaj tajanstveni fenomen.

Glavno pitanje u kvantnoj mehanici, na koje nitko ne zna odgovor: što se zapravo događa u superpoziciji – nekoj vrsti stanja u kojem se čestice nalaze na dva ili više mjesta ili stanja u isto vrijeme? Skupina istraživača iz Izraela i Japana predložila je eksperiment koji će nam konačno omogućiti da saznamo nešto točno o prirodi ovog tajanstvenog fenomena.

Njihov eksperiment, za koji istraživači kažu da bi se mogao provesti u roku od nekoliko mjeseci, trebao bi omogućiti znanstvenicima da razumiju gdje se objekt - u konkretnom slučaju, čestica svjetlosti nazvana foton - zapravo nalazi kada je u superpoziciji. A istraživači predviđaju da će odgovor biti još čudniji i šokantniji od "dva mjesta odjednom".

Klasičan primjer superpozicije uključuje izbacivanje fotona kroz dva paralelna proreza u barijeri. Jedan od temeljnih aspekata kvantne mehanike je da se sićušne čestice mogu ponašati poput valova, tako da one koje prolaze kroz jedan prorez "smetaju" onima koje prolaze kroz drugi, njihovo valovito mreškanje, povećavajući ili mijenjajući jedno drugo, stvarajući karakterističnu strukturu na detektoru zaslon. Čudno je, međutim, da se ova smetnja događa čak i ako se ispaljuje samo jedna čestica. Čini se da čestica prolazi kroz oba proreza odjednom. Ovo je superpozicija.

I to je vrlo čudno: mjerenje kroz koji prorez čestica prolazi uvijek pokazuje da prolazi kroz samo jedan prorez, au ovom slučaju interferencija valova ("kvantna", ako želite) nestaje. Čini se da sam čin mjerenja "uništava" superpoziciju. " Znamo da se nešto čudno događa u superpoziciji kaže fizičar Avshalom Elitzer s Izraelskog instituta za napredne studije. “Ali to ne možete izmjeriti. To je ono što kvantnu mehaniku čini tako tajanstvenom.”

Desetljećima su istraživači zastajali u ovoj prividnoj slijepoj ulici. Ne mogu točno reći što je superpozicija, a da je ne promatraju; ali ako ga pokušaju pogledati, nestat će. Jedno moguće rješenje, koje je razvio Elitzurov bivši mentor, izraelski fizičar Yakir Aaharonov sa Sveučilišta Chapman i njegovi suradnici, predlaže način da se nešto nauči o kvantnim česticama prije mjerenja. Aharonov pristup naziva se formalizam dva stanja (TSVF) kvantne mehanike, a postulati kvantnih događaja su u određenom smislu određeni kvantnim stanjima ne samo u prošlosti nego i u budućnosti. To jest, TSVF pretpostavlja da kvantna mehanika radi na isti način i naprijed i unatrag u vremenu. S ove točke gledišta, čini se da se uzroci mogu širiti unatrag kroz vrijeme, pojavljujući se nakon posljedica.

Ali ovaj čudan koncept ne treba shvatiti doslovno. Najvjerojatnije se u TSVF-u može dobiti retrospektivna spoznaja o tome što se dogodilo u kvantnom sustavu: umjesto jednostavnog mjerenja gdje čestica završava, istraživač odabire određeno mjesto za traženje. To se zove naknadni odabir i daje više informacija nego bilo koji bezuvjetni prikaz rezultata. To je zbog činjenice da se stanje čestice u svakom trenutku procjenjuje retrospektivno u svjetlu cijele njezine povijesti do mjerenja, uključujući i mjerenje. Ispada da istraživač - jednostavnim odabirom određenog rezultata za pretragu - tada dolazi do zaključka da se rezultat treba dogoditi. To je malo kao da upalite TV u trenutku kada bi trebao biti emitiran vaš omiljeni program, ali samim svojim činom uzrokujete da se taj program emitira baš u tom trenutku. "Opće je prihvaćeno da je TSVF matematički ekvivalentan standardnoj kvantnoj mehanici", kaže David Wallace, filozof znanosti sa Sveučilišta u Južnoj Kaliforniji koji se specijalizirao za tumačenje kvantne mehanike. "Ali to dovodi do toga da se neke stvari ne vide drugačije."

Uzmimo, na primjer, varijantu eksperimenta od dvije sekunde koji su razvili Aharonov i suradnik Lev Vaidman 2003. godine, a koju su interpretirali pomoću TSVF-a. Par je opisao (ali nije izgradio) optički sustav u kojem jedan foton djeluje kao "zatvarač" koji zatvara prorez, uzrokujući da se drugi "probni" foton približi prorezu i reflektira kao što se pojavio. Nakon mjerenja testnog fotona, kako su pokazali Akharonov i Vaidman, može se primijetiti fotografija zatvarača u superpoziciji koja istovremeno zatvara (ili čak proizvoljno mnogo) proreze istovremeno. Drugim riječima, ovaj misaoni eksperiment u teoriji mogao bi sa sigurnošću reći da je foton vrata i "ovdje" i "tamo" u isto vrijeme. Iako se ova situacija čini paradoksalnom iz našeg svakodnevnog iskustva, to je jedan dobro proučen aspekt takozvanih "ne-lokalnih" svojstava kvantnih čestica, gdje se cijela predodžba o dobro definiranom položaju u prostoru rastvara.

U 2016. fizičari Ryo Okamoto i Shigeki Takeuchi sa Sveučilišta Kyoto eksperimentalno su potvrdili predviđanja Aharonova i Weidmana koristeći svjetlosno vođeni krug u kojem se fotografija zatvarača stvara pomoću kvantnog usmjerivača, uređaja koji omogućuje jednom fotonu da kontrolira rutu drugoga. "Ovo je bio revolucionarni eksperiment koji nam je omogućio da ustanovimo istodobni položaj čestice na dva mjesta", kaže Elitzurov kolega Eliahu Cohen sa Sveučilišta Ottawa u Ontariju.

Sada su se Elitzur i Koen udružili s Okamotom i Takeuchijem kako bi osmislili još nevjerojatniji eksperiment. Vjeruju da će ovo omogućiti istraživačima da sa sigurnošću saznaju više o lokaciji čestice u superpoziciji u nizu različitih točaka u vremenu prije nego što se izvrše bilo kakva stvarna mjerenja.

Ovaj put će putanja fotona sonde biti podijeljena ogledalima na tri dijela. Duž svake od ovih staza, može djelovati s fotonom vrata u superpoziciji. Može se zamisliti da se ove interakcije odvijaju u okvirima označenim s A, B i C, od kojih se svaki nalazi duž svake od tri moguće staze fotona. Uzimajući u obzir samosmetnju fotona sonde, moći će se retrospektivno sa sigurnošću zaključiti da je čestica vrata bila u određenom trenutku u datoj kutiji.

Eksperiment je osmišljen na takav način da foton sonde može pokazati smetnje samo u slučaju interakcije s fotonom vrata u određenom nizu mjesta i vremena: naime, ako je foton vrata bio u oba bloka A i C u nekom trenutku (t1), zatim kasnije (t2) - samo na C i još kasnije (t3) - i na B i na C. Stoga bi interferencija u fotonu koji ispituje bila konačna indikacija da foton vrata doista prolazi kroz Ovaj fenomen čudnog slijeda među kutijama u različitim vremenima ideja je Elitzura, Cohena i Aharonova, koji su prošle godine predložili da jedna čestica istovremeno prolazi kroz tri kutije. "Sviđa mi se kako ovaj članak postavlja pitanja o tome što se događa u smislu cijele povijesti, a ne trenutnih stanja", kaže fizičar Ken Wharton sa Državnog sveučilišta San Jose, koji nije uključen u novi projekt. "Razgovor o 'državama' stara je raširena predrasuda, dok su cijele priče puno bogatije i zanimljivije."

To je upravo ono čemu Elitzur tvrdi da novi TSVF eksperiment daje pristup. Očigledni nestanak čestica na jednom mjestu u isto vrijeme - i njihovo ponovno pojavljivanje na drugim mjestima iu drugim vremenima - sugerira novu i neobičnu viziju temeljnih procesa povezanih s ne-lokalnim postojanjem kvantnih čestica. Zahvaljujući TSVF leći, kaže Elitzur, ovo svjetlucavo, stalno promjenjivo postojanje može se shvatiti kao niz događaja u kojima je prisutnost čestice na jednom mjestu nekako "poništena" vlastitom "suprotnom stranom" na istom mjestu. . On to uspoređuje s konceptom koji je uveo britanski fizičar Paul Dirac 1920-ih, koji je tvrdio da čestice imaju antičestice, a ako se spoje, čestica i antičestica mogu jedna drugu poništiti. Ova se slika isprva činila samo načinom govora, no ubrzo je dovela do otkrića antimaterije. Nestanak kvantnih čestica nije "poništenje" u istom smislu, ali je donekle sličan - te navodne suprotne čestice, vjeruje Elitzur, trebale bi imati negativnu energiju i negativnu masu, što im omogućuje da ponište svoje dvojnike.

Pa dok se tradicionalna superpozicija "dva mjesta u isto vrijeme" može činiti prilično čudnom, "možda je superpozicija skup stanja koji je još luđi", kaže Elitzur. "Kvantna mehanika vam samo govori o njihovom prosječnom stanju." Naknadni odabir omogućuje izolaciju i testiranje samo nekih od tih stanja u višoj rezoluciji, predlaže on. Takvo tumačenje kvantnog ponašanja bilo bi, po njegovim riječima, "revolucionarno" jer bi za sobom povlačilo do sada neprihvatljivu menažeriju stvarnih (ali vrlo čudnih) stanja koja leže u pozadini kontradiktornih kvantnih fenomena.

Istraživači kažu da će provođenje stvarnog eksperimenta zahtijevati fino podešavanje performansi njihovih kvantnih usmjerivača, ali se nadaju da će njihov sustav biti spreman za to za tri do pet mjeseci. Dok neki promatrači to očekuju bez daha. "Eksperiment bi trebao uspjeti", kaže Wharton, "ali nikoga neće uvjeriti jer rezultate predviđa standardna kvantna mehanika." Drugim riječima, nema dobrog razloga za tumačenje rezultata u smislu TSVF-a.

Elitzur se slaže da je njihov eksperiment mogao biti osmišljen korištenjem konvencionalnog pogleda na kvantnu mehaniku koji je vladao prije nekoliko desetljeća, ali to se nikada nije dogodilo. " Nije li to dobar pokazatelj pouzdanosti TSVF-a? on pita. A ako netko misli da može formulirati drugačiju sliku "što se stvarno događa" u ovom eksperimentu, koristeći standardnu ​​kvantnu mehaniku, on dodaje: " Dobro, neka pokušaju!»

Obično smatramo da kvantna fizika opisuje ponašanje subatomskih čestica, a ne ponašanje ljudi. Ali ideja nije toliko nategnuta, kaže Wong. Također naglašava da njezin istraživački program ne sugerira da su naši mozgovi doslovno kvantna računala. Wong i kolege nisu usredotočeni na fizičke aspekte mozga, već na to kako apstraktni matematički principi kvantne teorije mogu pomoći u razumijevanju ljudske svijesti i ponašanja.

“I u društvenim i u bihevioralnim znanostima često koristimo probabilističke modele. Na primjer, postavljamo pitanje kolika je vjerojatnost da će osoba postupiti na određeni način ili donijeti određenu odluku? Tradicionalno, svi ovi modeli temelje se na klasičnoj teoriji vjerojatnosti - koja potječe iz klasične fizike Newtonovih sustava. Što je egzotično u tome što će društveni znanstvenici misliti o kvantnim sustavima i njihovim matematičkim principima?

Bavi se nejasnoćama u fizičkom svijetu. Stanje određene čestice, njena energija, njen položaj su neizvjesni i moraju se izračunati u smislu vjerojatnosti. Kvantna spoznaja se rađa kada se bavimo psihičkom dvosmislenošću. Ponekad nismo sigurni u svoje osjećaje, osjećamo se dvosmisleno oko opcije ili smo prisiljeni donositi odluke na temelju ograničenih informacija.

“Naš mozak ne može pohraniti sve. Nemamo uvijek jasnu predodžbu o tome što se događa. Ali ako mi postavite pitanje poput “što želite za večeru?”, razmislit ću i doći do konstruktivnog i jasnog odgovora”, kaže Wong. “Ovo je kvantno znanje.”

“Mislim da je matematički formalizam koji pruža kvantna teorija u skladu s onim što intuitivno osjećamo kao psiholozi. Kvantna teorija možda uopće nije intuitivna kada se koristi za opisivanje ponašanja čestica, ali je prilično intuitivna kada opisuje naše tipično nejasno i dvosmisleno razmišljanje.”

Ona koristi primjer Schrödingerove mačke, u kojoj je mačka unutar kutije istovremeno živa i mrtva s određenom vjerojatnošću. Obje opcije su potencijalne u našim umovima. To jest, mačka ima potencijal biti i mrtva i živa u isto vrijeme. Taj se učinak naziva kvantna superpozicija. Kada otvorimo kutiju, obje mogućnosti više ne postoje, a mačka mora biti živa ili mrtva.

Uz kvantnu svijest, svaka odluka koju donesemo naša je jedinstvena Schrödingerova mačka.

Kada sortiramo opcije, gledamo kroz njih svojim unutarnjim okom. Neko vrijeme, sve opcije koegzistiraju s različitim stupnjevima potencijala: poput superpozicije. Onda, kada odaberemo jednu opciju, ostale za nas prestaju postojati.

Teško je matematički modelirati ovaj proces, djelomično zato što svaka mogućnost dodaje težinu jednadžbi. Ako se tijekom izbora od osobe traži da izabere između dvadeset kandidata na glasačkom listiću, problem izbora postaje očit (ako osoba prvi put vidi njihova imena). Otvorena pitanja poput "kako se osjećaš?" ostavljajući još više opcija.

S klasičnim pristupom psihologiji, odgovori možda uopće nemaju smisla, pa znanstvenici moraju izgraditi nove matematičke aksiome kako bi objasnili ponašanje u svakom pojedinačnom slučaju. Rezultat: pojavili su se mnogi klasični psihološki modeli, od kojih su neki međusobno u sukobu, a nijedan od njih nije primjenjiv u svakoj situaciji.

S kvantnim pristupom, kako ističu Wong i njezini kolege, mnogi složeni i kompleksni aspekti ponašanja mogu se objasniti jednim ograničenim skupom aksioma. Isti kvantni model koji objašnjava zašto redoslijed pitanja utječe na odgovore intervjuiranih ljudi također objašnjava kršenja racionalnosti u paradigmi Zatvorenikove dileme, učinak ljudi koji rade zajedno čak i kada to uopće nije u njihovom najboljem interesu.

"Zatvorenikova dilema i redoslijed pitanja dva su vrlo različita učinka u klasičnoj psihologiji, ali se oba mogu objasniti istim kvantnim modelom", kaže Wong. - Uz njegovu pomoć mogu se objasniti i mnoga druga, nepovezana i tajanstvena saznanja u psihologiji. I elegantan je."

29.10.2016

Unatoč zvučnosti i tajanstvenosti današnje teme, pokušat ćemo reći što kvantna fizika proučava jednostavnim riječima, koji dijelovi kvantne fizike imaju mjesto biti i zašto je kvantna fizika u načelu potrebna.

Materijal ponuđen u nastavku dostupan je svima za razumijevanje.

Prije nego što laprdamo o tome što proučava kvantna fizika, bilo bi umjesno podsjetiti se kako je sve počelo...

Do sredine 19. stoljeća čovječanstvo se uhvatilo u koštac s proučavanjem problema koji se nisu mogli riješiti pomoću aparata klasične fizike.

Niz pojava činilo se "čudnim". Na neka pitanja uopće nije odgovoreno.

Pedesetih godina 19. stoljeća William Hamilton, vjerujući da klasična mehanika nije u stanju točno opisati kretanje svjetlosnih zraka, predlaže vlastitu teoriju koja je ušla u povijest znanosti pod imenom Hamilton-Jacobijev formalizam, koji se temeljio na postulatu valne teorije svjetlosti.

Godine 1885., nakon svađe s prijateljem, švicarski fizičar Johann Balmer empirijski je izveo formulu koja je omogućila izračunavanje valnih duljina spektralnih linija s vrlo velikom točnošću.

Balmer tada nije mogao objasniti razloge otkrivenih obrazaca.

Wilhelm Roentgen je 1895. godine, proučavajući katodne zrake, otkrio zračenje, koje je nazvao X-zrake (kasnije preimenovane u zrake), koje se odlikovalo snažnim prodornim karakterom.

Godinu dana kasnije, 1896., Henri Becquerel, proučavajući uranove soli, otkrio je spontano zračenje sličnih svojstava. Nova pojava nazvana je radioaktivnost.

Godine 1899. dokazana je valna priroda X-zraka.

Slika 1. Utemeljitelji kvantne fizike Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr

Godina 1901. obilježena je pojavom prvog planetarnog modela atoma, koji je predložio Jean Perrin. Nažalost, sam znanstvenik je napustio ovu teoriju, ne pronalazeći potvrdu za to sa stajališta teorije elektrodinamike.

Dvije godine kasnije, japanski znanstvenik Hantaro Nagaoka predložio je drugi planetarni model atoma, u čijem je središtu trebala biti pozitivno nabijena čestica, oko koje bi elektroni kružili u orbitama.

Ova teorija, međutim, nije uzimala u obzir zračenje koje emitiraju elektroni, pa stoga nije mogla, na primjer, objasniti teoriju spektralnih linija.

Osvrćući se na strukturu atoma, Joseph Thomson je 1904. godine prvi protumačio pojam valencije s fizikalnog stajališta.

Godina rođenja kvantne fizike možda se može prepoznati kao 1900., povezujući s njom govor Maxa Plancka na sastanku Njemačke fizike.

Planck je bio taj koji je predložio teoriju koja je objedinila mnoge do tada različite fizikalne pojmove, formule i teorije, uključujući Boltzmannovu konstantu, vezu energije i temperature, Avogadrov broj, Wienov zakon pomaka, naboj elektrona, Boltzmannov zakon zračenja...

Također je uveo pojam kvanta djelovanja (druga - nakon Boltzmannove konstante - temeljna konstanta).

Daljnji razvoj kvantne fizike izravno je povezan s imenima Hendrika Lorentza, Alberta Einsteina, Ernsta Rutherforda, Arnolda Sommerfelda, Maxa Borna, Nielsa Bohra, Erwina Schrödingera, Louisa de Brogliea, Wernera Heisenberga, Wolfganga Paulija, Paula Diraca, Enrica Fermija i mnogi drugi izvanredni znanstvenici, nastali u prvoj polovici 20. stoljeća.

Znanstvenici su uspjeli razumjeti prirodu elementarnih čestica s neviđenom dubinom, proučiti interakcije čestica i polja, otkriti kvarkovsku prirodu materije, izvesti valnu funkciju, objasniti temeljne koncepte diskretnosti (kvantizacije) i dualnosti val-čestica.

Kvantna teorija, kao nijedna druga, približila je čovječanstvo razumijevanju temeljnih zakona svemira, zamijenila uobičajene koncepte točnijima i natjerala nas da preispitamo ogroman broj fizičkih modela.

Što proučava kvantna fizika?

Kvantna fizika opisuje svojstva materije na razini mikrofenomena, istražujući zakone gibanja mikroobjekata (kvantnih objekata).

Predmet kvantne fizike su kvantni objekti dimenzija 10 −8 cm ili manje. To:

• molekule,
• atomi,
• atomske jezgre,
• elementarne čestice.

Glavne karakteristike mikroobjekata su masa mirovanja i električni naboj. Masa jednog elektrona (me) je 9,1 10 −28 g.

Usporedbe radi, masa miona je 207 me, neutrona je 1839 me, a protona je 1836 me.

Neke čestice uopće nemaju masu mirovanja (neutrino, foton). Njihova masa je 0 me.

Električni naboj bilo kojeg mikroobjekta je višekratnik naboja elektrona koji je jednak 1,6 · 10 −19 C. Uz nabijene postoje i neutralni mikroobjekti, čiji je naboj jednak nuli.

Slika 2. Kvantna fizika prisiljena preispitati tradicionalne poglede na koncepte valova, polja i čestica

Električni naboj složenog mikroobjekta jednak je algebarskom zbroju naboja njegovih sastavnih čestica.

Među svojstvima mikroobjekata je vrtjeti(doslovno prevedeno s engleskog - "rotirati").

Uobičajeno je tumačiti ga kao kutni moment kvantnog objekta koji ne ovisi o vanjskim uvjetima.

Poleđini je teško naći adekvatnu sliku u stvarnom svijetu. Ne može se prikazati kao vrcaljka zbog svoje kvantne prirode. Klasična fizika ne može opisati ovaj objekt.

Prisutnost spina utječe na ponašanje mikroobjekata.

Prisutnost spina unosi značajne značajke u ponašanje objekata u mikrokozmosu, od kojih se većina - nestabilni objekti - spontano raspadaju, pretvarajući se u druge kvantne objekte.

Stabilni mikro-objekti, koji uključuju neutrine, elektrone, fotone, protone, kao i atome i molekule, mogu se raspasti samo pod utjecajem snažne energije.

Kvantna fizika potpuno apsorbira klasičnu fiziku, smatrajući je svojim graničnim slučajem.

Zapravo, kvantna fizika je - u širem smislu - moderna fizika.

Ono što kvantna fizika opisuje u mikrokozmosu se ne može percipirati. Zbog toga je mnoge odredbe kvantne fizike teško zamisliti, za razliku od objekata koje opisuje klasična fizika.

Unatoč tome, nove teorije omogućile su promjenu naših ideja o valovima i česticama, o dinamičkom i probabilističkom opisu, o kontinuiranom i diskretnom.

Kvantna fizika nije samo novonastala teorija.

Riječ je o teoriji koja je uspjela predvidjeti i objasniti nevjerojatan broj pojava - od procesa koji se odvijaju u atomskim jezgrama do makroskopskih učinaka u svemiru.

Kvantna fizika - za razliku od klasične fizike - proučava materiju na fundamentalnoj razini, dajući tumačenja fenomena okolne stvarnosti koja tradicionalna fizika nije u stanju dati (na primjer, zašto atomi ostaju stabilni ili jesu li elementarne čestice doista elementarne).

Kvantna teorija daje nam mogućnost da svijet opišemo točnije nego što je bilo prihvaćeno prije njezina nastanka.

Značaj kvantne fizike

Teorijski razvoj koji čini bit kvantne fizike primjenjiv je na proučavanje i nezamislivo velikih svemirskih objekata i iznimno malih elementarnih čestica.

kvantna elektrodinamika uranja nas u svijet fotona i elektrona, fokusirajući se na proučavanje interakcija među njima.

Kvantna teorija kondenzirane tvari produbljuje znanja o supertekućinama, magnetima, tekućim kristalima, amorfnim tijelima, kristalima i polimerima.

Slika 3. Kvantna fizika je čovječanstvu dala puno točniji opis svijeta oko nas

Znanstveno istraživanje posljednjih desetljeća usmjereno je na proučavanje strukture kvarkova elementarnih čestica u okviru samostalne grane kvantne fizike - kvantna kromodinamika.

Nerelativistička kvantna mehanika(ona koja je izvan okvira Einsteinove teorije relativnosti) proučava mikroskopske objekte koji se kreću relativno malom brzinom (manjom od), svojstva molekula i atoma, njihovu strukturu.

kvantna optika bavi se znanstvenim proučavanjem činjenica povezanih s manifestacijom kvantnih svojstava svjetlosti (fotokemijski procesi, toplinsko i stimulirano zračenje, fotoelektrični efekt).

kvantna teorija polja je objedinjujući dio koji uključuje ideje teorije relativnosti i kvantne mehanike.

Znanstvene teorije razvijene u okviru kvantne fizike dale su snažan poticaj razvoju kvantne elektronike, tehnologije, kvantne teorije čvrstih tijela, znanosti o materijalima i kvantne kemije.

Bez nastanka i razvoja spomenutih grana znanja bilo bi nemoguće stvoriti svemirske letjelice, nuklearne ledolomce, mobilne komunikacije i mnoge druge korisne izume.

Nitko ne razumije što je svijest i kako funkcionira. Nitko ne razumije ni kvantnu mehaniku. Može li to biti više od puke slučajnosti? "Ne mogu identificirati pravi problem, pa sumnjam da nema stvarnog problema, ali nisam siguran da ne postoji pravi problem." Američki fizičar Richard Feynman rekao je to o zagonetnim paradoksima kvantne mehanike. Danas fizičari koriste ovu teoriju za opis najmanjih objekata u svemiru. Ali mogao je reći isto o zamršenom problemu svijesti.

Neki znanstvenici misle da svijest već razumijemo ili da je ona samo iluzija. Ali mnogima drugima se čini da se uopće nismo ni približili suštini svijesti.

Višegodišnja zagonetka zvana "svijest" čak je navela neke znanstvenike da je pokušaju objasniti kvantnom fizikom. Ali njihova je marljivost dočekana s priličnom dozom skepse, i to ne čudi: čini se nerazumnim objašnjavati jednu zagonetku uz pomoć druge.

Ali takve ideje nikada nisu apsurdne i nisu ni dolazile sa stropa.

S jedne strane, na veliko nezadovoljstvo fizičara, um u početku odbija shvatiti ranu kvantnu teoriju. Štoviše, predviđa se da su kvantna računala sposobna za stvari koje obična računala ne mogu. Podsjeća nas da su naši mozgovi još uvijek sposobni za podvige izvan dosega umjetne inteligencije. "Kvantna svijest" se naširoko ismijava kao mistična besmislica, ali nitko je nije uspio definitivno odbaciti.

Kvantna mehanika je najbolja teorija koju imamo koja može opisati svijet na razini atoma i subatomskih čestica. Možda najpoznatija od njezinih misterija jest činjenica da se ishod kvantnog eksperimenta može promijeniti ovisno o tome hoćemo li odlučiti mjeriti svojstva uključenih čestica ili ne.

Kad su pioniri kvantne teorije prvi put otkrili ovaj "efekt promatrača", bili su ozbiljno zabrinuti. Činilo se da potkopava pretpostavku u srcu cijele znanosti: da negdje vani postoji objektivan svijet neovisan o nama. Ako se svijet doista ponaša ovisno o tome kako - ili ako - gledamo na njega, što bi zapravo značila "stvarnost"?

Neki su znanstvenici bili prisiljeni zaključiti da je objektivnost iluzija i da svijest mora igrati aktivnu ulogu u kvantnoj teoriji. Drugi jednostavno u tome nisu vidjeli nikakav zdrav razum. Na primjer, Albert Einstein je bio ljut: postoji li mjesec samo kad ga gledate?

Danas neki fizičari sumnjaju da svijest ne utječe na kvantnu mehaniku...nego da se ona uopće pojavila zahvaljujući njoj. Oni misle da nam je možda potrebna kvantna teorija da bismo razumjeli kako mozak uopće funkcionira. Može li biti da baš kao što kvantni objekti mogu biti na dva mjesta u isto vrijeme, kvantni mozak može imati na umu dvije stvari koje se međusobno isključuju u isto vrijeme?

Ove ideje su kontroverzne. Može se pokazati da kvantna fizika nema nikakve veze s radom svijesti. Ali barem pokazuju da nas čudna kvantna teorija tjera da razmišljamo o čudnim stvarima.

Najbolji način da kvantna mehanika prodre u ljudsku svijest je eksperiment s dvostrukim prorezom. Zamislite snop svjetlosti koji udara u zaslon s dva blisko razmaknuta paralelna proreza. Dio svjetlosti prolazi kroz proreze i pada na drugi ekran.

Svjetlost možete zamisliti kao val. Kada valovi prolaze kroz dva proreza, kao u eksperimentu, oni se sudaraju - interferiraju - jedni s drugima. Ako se njihovi vrhovi poklapaju, međusobno se pojačavaju, što rezultira nizom crno-bijelih pruga svjetla na drugom crnom ekranu.

Ovaj eksperiment je korišten da se pokaže valna priroda svjetlosti više od 200 godina, sve do pojave kvantne teorije. Zatim je izveden pokus dvostrukog proreza s kvantnim česticama - elektronima. To su sićušne nabijene čestice, komponente atoma. Na neki čudan način te se čestice mogu ponašati poput valova. To jest, podvrgavaju se difrakciji kada struja čestica prolazi kroz dva proreza, stvarajući interferencijski uzorak.

Sada pretpostavimo da kvantne čestice prolaze kroz proreze jedna po jedna i njihov dolazak na ekran također ćemo promatrati korak po korak. Sada nema ničega očitog što bi uzrokovalo da čestica ometa svoj put. Ali uzorak udara čestica i dalje će pokazivati ​​interferencijske rubove.

Sve ukazuje na to da svaka čestica istovremeno prolazi kroz oba proreza i interferira sama sa sobom. Ova kombinacija dva puta poznata je kao stanje superpozicije.

Ali evo što je čudno.

Postavimo li detektor u ili iza jednog od proreza, mogli bismo saznati prolaze li čestice kroz njega ili ne. Ali u ovom slučaju, smetnje nestaju. Jednostavna činjenica promatranja putanje čestice - čak i ako to promatranje ne bi trebalo smetati kretanju čestice - mijenja rezultat.

Fizičar Pascual Jordan, koji je 1920-ih radio s kvantnim guruom Nielsom Bohrom u Kopenhagenu, rekao je to na sljedeći način: "Promatranja ne samo da ometaju ono što se treba mjeriti, ona to i određuju... Prisiljavamo kvantnu česticu da izabere određeni položaj." Drugim riječima, Jordan kaže da "mi sami proizvodimo mjerenja".

Ako je tako, objektivna se stvarnost jednostavno može baciti kroz prozor.

Ali neobičnostima tu nije kraj.

Ako priroda mijenja svoje ponašanje ovisno o tome gledamo li ili ne, mogli bismo je pokušati prevariti. Da bismo to učinili, mogli smo izmjeriti kojim je putem čestica prošla kroz dvostruki prorez, ali tek nakon što je prošla kroz njega. Do tada je već trebala "odlučiti" hoće li ići jednim putem ili oba.

Američki fizičar John Wheeler predložio je takav eksperiment sedamdesetih godina prošlog stoljeća, au sljedećih deset godina proveden je eksperiment “odgođenog izbora”. Koristi pametne metode za mjerenje staza kvantnih čestica (obično čestica svjetlosti - fotona) nakon što izaberu jednu putanju ili superpoziciju dviju.

Pokazalo se da, kao što je Bohr predvidio, nema razlike hoćemo li odgoditi mjerenja ili ne. Sve dok mjerimo put fotona do njegovog pogotka i registracije u detektoru, nema smetnji. Čini se da priroda "zna" ne samo kada virimo, nego i kada planiramo viriti.

Eugene Wigner

Kad god u tim eksperimentima otkrijemo putanju kvantne čestice, njen oblak mogućih putanja "sabija se" u jedno, dobro definirano stanje. Štoviše, eksperiment kašnjenja sugerira da sam čin promatranja, bez ikakve fizičke intervencije uzrokovane mjerenjem, može uzrokovati kolaps. Znači li to da do pravog kolapsa dolazi tek kada rezultat mjerenja dođe do naše svijesti?

Ovu mogućnost predložio je 1930-ih godina mađarski fizičar Eugene Wigner. “Iz ovoga slijedi da na kvantni opis objekata utječu dojmovi koji ulaze u moju svijest”, napisao je. "Solipsizam može biti logički u skladu s kvantnom mehanikom."

Wheelera je čak zabavljala ideja da je postojanje živih bića sposobnih za "promatranje" transformiralo ono što je prije bilo mnogo mogućih kvantnih prošlosti u jednu konkretnu priču. U tom smislu, kaže Wheeler, postajemo sudionici evolucije svemira od samog početka. Živimo u "participativnom svemiru", kaže on.

Fizičari se još uvijek ne mogu odlučiti za najbolju interpretaciju ovih kvantnih eksperimenata, a donekle je pravo vama. Ali, na ovaj ili onaj način, implikacija je očita: svijest i kvantna mehanika nekako su povezane.

Početkom 1980-ih, engleski fizičar Roger Penrose sugerirao je da bi ova veza mogla djelovati u drugom smjeru. Rekao je da bez obzira na to utječe li svijest na kvantnu mehaniku ili ne, možda je kvantna mehanika uključena u svijest.

Fizičar i matematičar Roger Penrose

A Penrose je također pitao: što ako postoje molekularne strukture u našem mozgu koje mogu promijeniti svoje stanje kao odgovor na jedan kvantni događaj? Mogu li te strukture poprimiti stanje superpozicije, poput čestica u eksperimentu s dvostrukim prorezom? Mogu li se te kvantne superpozicije onda pojaviti u načinu na koji neuroni komuniciraju putem električnih signala?

Može li biti, rekao je Penrose, da naša sposobnost održavanja naizgled nespojivih mentalnih stanja nije perceptivna hirka, već pravi kvantni učinak?

Uostalom, čini se da ljudski mozak može procesuirati kognitivne procese koji su još uvijek daleko iznad mogućnosti digitalnih računala. Možda čak budemo u stanju izvršiti računalne zadatke koji se ne mogu izvesti na običnim računalima koristeći klasičnu digitalnu logiku.

Penrose je prvi sugerirao da su kvantni učinci prisutni u ljudskom umu u svojoj knjizi The Emperor's New Mind iz 1989. godine. Njegova glavna ideja bila je "orkestrirana objektivna redukcija". Objektivna redukcija, prema Penroseu, znači da je kolaps kvantne interferencije i superpozicije pravi fizički proces, poput mjehura koji puca.

Orkestrirana objektivna redukcija oslanja se na Penroseovu pretpostavku da gravitacija, koja utječe na svakodnevne predmete, stolice ili planete, ne pokazuje kvantne učinke. Penrose vjeruje da kvantna superpozicija postaje nemoguća za objekte veće od atoma, jer bi njihov gravitacijski utjecaj tada doveo do postojanja dviju nekompatibilnih verzija prostor-vremena.

Penrose je ovu ideju dalje razvio s američkim liječnikom Stuartom Hameroffom. U svojoj knjizi Shadows of the Mind (1994.), sugerirao je da bi strukture uključene u ovu kvantnu kogniciju mogle biti proteinske niti - mikrotubule. Nalaze se u većini naših stanica, uključujući moždane neurone. Penrose i Hameroff tvrdili su da tijekom procesa osciliranja mikrotubule mogu poprimiti stanje kvantne superpozicije.

Ali ništa ne govori u prilog tome da je to uopće moguće.

Eksperimenti predloženi 2013. trebali su podržati ideju o kvantnim superpozicijama u mikrotubulama, ali zapravo te studije nisu spominjale kvantne učinke. Osim toga, većina istraživača vjeruje da je ideja o orkestriranim objektivnim redukcijama razotkrivena studijom objavljenom 2000. godine. Fizičar Max Tegmark izračunao je da kvantne superpozicije molekula uključenih u neuralne signale ne mogu preživjeti čak ni trenutak koji je potreban za prijenos signala.

Kvantni učinci, uključujući superpoziciju, vrlo su krhki i uništavaju se u procesu koji se naziva dekoherencija. Ovaj proces je zbog interakcija kvantnog objekta s okolinom, budući da njegova "kvantnost" curi.

Smatralo se da je dekoherencija iznimno brza u toplim i vlažnim okruženjima kao što su žive stanice.

Živčani signali su električni impulsi uzrokovani prolaskom električki nabijenih atoma kroz stijenke živčanih stanica. Ako je jedan od tih atoma bio u superpoziciji i zatim se sudario s neuronom, Tegmark je pokazao da bi se superpozicija trebala raspasti za manje od jedne milijardite milijarde sekunde. Neuronu je potrebno deset tisuća bilijuna puta više vremena da pošalje signal.

Zato ideje o kvantnim efektima u mozgu ne prolaze test skeptika.

No Penrose neumoljivo inzistira na hipotezi OOR-a. I unatoč Tegmarkovom predviđanju superbrze dekoherencije u stanicama, drugi su znanstvenici pronašli manifestacije kvantnih učinaka u živim bićima. Neki tvrde da kvantnu mehaniku koriste ptice selice koje koriste magnetsku navigaciju i zelene biljke kada koriste sunčevu svjetlost za proizvodnju šećera fotosintezom.

Uz sve to, ideja da mozak može koristiti kvantne trikove odbija zauvijek nestati. Jer su našli još jedan argument u njenu korist.

Može li fosfor održati kvantno stanje?

U studiji iz 2015. godine, fizičar s UC Santa Barbara Matthew Fisher tvrdio je da bi mozak mogao sadržavati molekule koje mogu izdržati snažnije kvantne superpozicije. Konkretno, on vjeruje da jezgre atoma fosfora mogu imati takvu sposobnost. Atomi fosfora nalaze se posvuda u živim stanicama. Često su u obliku fosfatnih iona, u kojima se jedan atom fosfora spaja s četiri atoma kisika.

Takvi ioni su osnovna jedinica energije u stanicama. Većina stanične energije pohranjena je u molekulama ATP-a, koje sadrže niz od tri fosfatne skupine vezane na organsku molekulu. Kada se jedan od fosfata prekine, oslobađa se energija koju koristi stanica.

Stanice imaju molekularne strojeve za sastavljanje fosfatnih iona u skupine i njihovu razgradnju. Fischer je predložio shemu u kojoj se dva fosfatna iona mogu smjestiti u određenu vrstu superpozicije: u isprepleteno stanje.

Jezgre fosfora imaju kvantno svojstvo - spin - koje ih čini poput malih magneta s polovima usmjerenim u određenim smjerovima. U zapetljanom stanju, spin jedne jezgre fosfora ovisi o drugoj. Drugim riječima, zapletena stanja su superpozicijska stanja koja uključuju više od jedne kvantne čestice.

Fisher kaže da se kvantno mehaničko ponašanje ovih nuklearnih spinova može oduprijeti dekoherenciji. Slaže se s Tegmarkom da će kvantne vibracije o kojima su Penrose i Hameroff govorili biti jako ovisne o njihovoj okolini i "dekoherirati gotovo odmah". Ali spinovi jezgri ne djeluju tako snažno na okolinu.

Pa ipak, kvantno ponašanje spinova fosfornih jezgri mora biti "zaštićeno" od dekoherencije.

Kvantne čestice mogu imati različite spinove

To se može dogoditi, kaže Fischer, ako se atomi fosfora ugrade u veće objekte koji se nazivaju "Posnerove molekule". Oni su nakupine od šest fosfatnih iona u kombinaciji s devet kalcijevih iona. Postoje neki pokazatelji da bi takve molekule mogle biti prisutne u živim stanicama, ali zasad nisu baš uvjerljivi.

Fischer tvrdi da se u Posnerovim molekulama vrtnje fosfora mogu oduprijeti dekoherenciji dan-dva, čak iu živim stanicama. Stoga mogu utjecati i na funkcioniranje mozga.

Ideja je da Posnerove molekule mogu preuzeti neuroni. Kad jednom uđu unutra, molekule će aktivirati signal drugom neuronu razgradnjom i otpuštanjem iona kalcija. Zbog isprepletenosti u Posnerovim molekulama, dva od ovih signala mogu se ispreplesti: na neki način, to bi bila kvantna superpozicija "misli". "Ako je kvantna obrada s nuklearnim spinovima stvarno prisutna u mozgu, to bi bio iznimno čest fenomen koji se događa cijelo vrijeme", kaže Fisher.

Ta mu je ideja prvi put pala na pamet kad je razmišljao o mentalnoj bolesti.

Kapsula litij karbonata

"Moje upoznavanje s biokemijom mozga počelo je kad sam prije tri do četiri godine odlučio istražiti kako i zašto litij ion ima tako drastičan učinak u liječenju mentalnih poremećaja", kaže Fisher.

Lijekovi s litijem naširoko se koriste za liječenje bipolarnog poremećaja. Djeluju, ali nitko zapravo ne zna zašto.

"Nisam tražio kvantno objašnjenje", kaže Fisher. Ali onda je slučajno naišao na rad koji opisuje kako pripravci litija imaju različite učinke na ponašanje štakora ovisno o tome koji je oblik - ili "izotop" - litija korišten.

Isprva je to zbunilo znanstvenike. S kemijskog gledišta, različiti izotopi ponašaju se gotovo na isti način, pa ako je litij djelovao kao konvencionalni lijek, izotopi bi trebali imati isti učinak.

Živčane stanice povezane su sa sinapsama

Ali Fisher je shvatio da jezgre atoma različitih izotopa litija mogu imati različite spinove. Ovo kvantno svojstvo moglo bi utjecati na djelovanje lijekova na bazi litija. Na primjer, ako litij zamijeni kalcij u Posnerovim molekulama, vrtnje litija mogu imati učinak na atome fosfora i spriječiti njihovo zapetljavanje.

Ako je to točno, onda bi to moglo objasniti zašto litij može liječiti bipolarni poremećaj.

U ovom trenutku Fisherov prijedlog nije ništa više od intrigantne ideje. Ali postoji nekoliko načina da to provjerite. Na primjer, da spinovi fosfora u Posnerovim molekulama mogu održavati kvantnu koherenciju dugo vremena. Ovo je Fisher i planira dalje provjeriti.

Ipak, oprezan je zbog povezivanja s ranijim pojmovima "kvantne svijesti", koje u najboljem slučaju smatra spekulativnima.

Svijest je duboka misterija

Fizičari ne vole biti unutar vlastitih teorija. Mnogi od njih se nadaju da se svijest i mozak mogu izvući iz kvantne teorije, a možda i obrnuto. Ali mi ne znamo što je svijest, a da ne spominjemo činjenicu da nemamo teoriju koja to opisuje.

Štoviše, povremeno se čuju glasni povici da će nam kvantna mehanika omogućiti da ovladamo telepatijom i telekinezom (i iako negdje u dubini koncepata to može biti istina, ljudi sve shvaćaju previše doslovno). Stoga se fizičari uglavnom boje spomenuti riječi "kvant" i "svijest" u istoj rečenici.

Godine 2016. Adrian Kent sa Sveučilišta Cambridge u Velikoj Britaniji, jedan od najuglednijih "kvantnih filozofa", predložio je da svijest može promijeniti ponašanje kvantnih sustava na suptilan, ali vidljiv način. Kent je vrlo oprezan u svojim izjavama. "Nema uvjerljivog razloga vjerovati da je kvantna teorija prikladna teorija iz koje bi se mogla izvesti teorija svijesti, ili da bi se problemi kvantne teorije na neki način trebali presijecati s problemom svijesti", priznaje.

Ali dodaje da je potpuno neshvatljivo kako se može izvesti opis svijesti, temeljen isključivo na pretkvantnoj fizici, kako opisati sva njezina svojstva i značajke.

Ne razumijemo kako misli funkcioniraju

Jedno posebno uzbudljivo pitanje je kako naši svjesni umovi mogu doživjeti jedinstvene senzacije poput crvene boje ili mirisa pečenog mesa. Osim slabovidnih, svi znamo kako izgleda crvena boja, ali ne možemo opisati osjećaj, a ne postoji ništa u fizici što bi nam moglo reći kako izgleda.

Ovakvi osjećaji nazivaju se qualia. Mi ih doživljavamo kao jedinstvena svojstva vanjskog svijeta, ali zapravo su proizvodi naše svijesti – a to je teško objasniti. Godine 1995., filozof David Chalmers nazvao je ovo "teškim problemom" svijesti.

„Svaki mentalni lanac o povezanosti svijesti s fizikom dovodi do ozbiljnih problema“, kaže Kent.

To ga je potaknulo da sugerira da "možemo postići određeni napredak u razumijevanju problema evolucije svijesti ako dopustimo (ili čak samo pretpostavimo) da svijest mijenja kvantne vjerojatnosti."

Drugim riječima, mozak zapravo može utjecati na rezultate mjerenja.

S ove točke gledišta, ne definira "što je stvarno". Ali može utjecati na vjerojatnost da će se promatrati svaka od mogućih stvarnosti koje nameće kvantna mehanika. Čak ni sama kvantna teorija ne može to predvidjeti. A Kent misli da bismo takve manifestacije mogli tražiti eksperimentalno. Čak hrabro procjenjuje šanse da ih pronađe.

“Pogodio bih s 15 posto sigurnosti da svijest uzrokuje odstupanja od kvantne teorije; i još 3 posto da ćemo to eksperimentalno potvrditi u sljedećih 50 godina”, kaže.

Ako se to dogodi, svijet više neće biti isti. I zbog toga vrijedi istražiti.

Sigurno ste čuli mnogo puta o neobjašnjivim misterijama kvantne fizike i kvantne mehanike. Njegovi zakoni fasciniraju mistikom, a ni sami fizičari priznaju da ih ne razumiju u potpunosti. S jedne strane, znatiželjno je razumjeti te zakone, ali s druge strane, nema vremena za čitanje višetomnih i složenih knjiga o fizici. Jako te razumijem, jer i ja volim znanje i traganje za istinom, ali za sve knjige nema vremena. Niste sami, toliko znatiželjnika u polje za pretraživanje upisuje: “kvantna fizika za glupane, kvantna mehanika za glupane, kvantna fizika za početnike, kvantna mehanika za početnike, osnove kvantne fizike, osnove kvantne mehanike, kvantna fizika za djecu , što je kvantna mehanika". Ovaj post je za vas.

Razumjet ćete osnovne koncepte i paradokse kvantne fizike. Iz članka ćete naučiti:

• Što je kvantna fizika i kvantna mehanika?
• Što je smetnja?
• Što je kvantna isprepletenost (ili kvantna teleportacija za lutke)? (vidi članak)
• Što je misaoni eksperiment Schrödingerove mačke? (vidi članak)

Kvantna mehanika je dio kvantne fizike.

Zašto je tako teško razumjeti te znanosti? Odgovor je jednostavan: kvantna fizika i kvantna mehanika (dio kvantne fizike) proučavaju zakone mikrosvijeta. A ti zakoni su apsolutno drugačiji od zakona našeg makrokozmosa. Stoga nam je teško zamisliti što se događa s elektronima i fotonima u mikrokozmosu.

Primjer razlike između zakona makro- i mikrosvjetova: u našem makrokozmosu, ako stavite loptu u jednu od 2 kutije, onda će jedna od njih biti prazna, a druga - lopta. Ali u mikrokozmosu (ako je umjesto lopte atom), atom može biti istovremeno u dvije kutije. To je više puta eksperimentalno potvrđeno. Nije li to teško utuviti u glavu? Ali ne možete raspravljati s činjenicama.

Još jedan primjer. Fotografirali ste brzi trkaći crveni sportski automobil i na fotografiji ste vidjeli mutnu vodoravnu traku, kao da je automobil u trenutku snimanja bio s nekoliko točaka u svemiru. Unatoč onome što vidite na fotografiji, i dalje ste sigurni da je automobil bio u trenutku kada ste ga fotografirali. na jednom određenom mjestu u prostoru. U mikrosvijetu nije tako. Elektron koji kruži oko jezgre atoma zapravo ne kruži, već koji se nalaze istovremeno u svim točkama sfere oko jezgre atoma. Kao labavo smotano klupko pahuljaste vune. Ovaj koncept u fizici se zove "elektronički oblak" .

Mala digresija u povijest. Po prvi put znanstvenici su razmišljali o kvantnom svijetu kada je 1900. godine njemački fizičar Max Planck pokušao otkriti zašto metali mijenjaju boju kada se zagrijavaju. Upravo je on uveo pojam kvantuma. Prije toga znanstvenici su mislili da svjetlost putuje neprekidno. Prvi koji je ozbiljno shvatio Planckovo otkriće bio je tada nepoznati Albert Einstein. Shvatio je da svjetlost nije samo val. Ponekad se ponaša kao čestica. Einstein je dobio Nobelovu nagradu za svoje otkriće da se svjetlost emitira u dijelovima, kvantima. Kvant svjetlosti naziva se foton ( foton, Wikipedia) .

Kako bismo lakše razumjeli kvantne zakone fizika i mehanika (Wikipedia), potrebno je, u određenom smislu, apstrahirati od nama poznatih zakona klasične fizike. I zamislite da ste poput Alise zaronili niz zečju rupu, u Zemlju čudesa.

A evo i crtića za djecu i odrasle. Govori o temeljnom eksperimentu kvantne mehanike s 2 proreza i promatračem. Traje samo 5 minuta. Pogledajte ga prije nego što zaronimo u osnovna pitanja i koncepte kvantne fizike.

Video o kvantnoj fizici za lutke. U crtiću obratite pažnju na "oko" promatrača. To je postala ozbiljna misterija za fizičare.

Što je smetnja?

Na početku crtića, na primjeru tekućine, prikazano je kako se ponašaju valovi - na ekranu iza ploče s prorezima pojavljuju se naizmjenične tamne i svijetle okomite pruge. A u slučaju kada su diskretne čestice (na primjer, kamenčići) "pucane" na ploču, one lete kroz 2 utora i udaraju u ekran točno nasuprot utorima. I "nacrtajte" na ekranu samo 2 okomite pruge.

Smetnje svjetla- Ovo je "valovito" ponašanje svjetla, kada se na ekranu prikazuje puno izmjeničnih svijetlih i tamnih okomitih pruga. I te okomite pruge naziva se interferencijski uzorak.

U našem makrokozmosu često opažamo da se svjetlost ponaša poput vala. Ako stavite ruku ispred svijeće, tada na zidu neće biti jasne sjene od ruke, već s mutnim konturama.

Dakle, nije sve tako teško! Sada nam je sasvim jasno da svjetlost ima valnu prirodu, a ako su 2 proreza osvijetljena svjetlom, tada ćemo na ekranu iza njih vidjeti interferencijski uzorak. Sada razmotrite 2. eksperiment. Riječ je o poznatom Stern-Gerlachovom eksperimentu (koji je izveden 20-ih godina prošlog stoljeća).

U instalaciji opisanoj u crtiću, oni nisu svijetlili svjetlošću, već su “pucali” elektronima (kao zasebnim česticama). Tada, početkom prošlog stoljeća, fizičari diljem svijeta smatrali su da su elektroni elementarne čestice materije i da ne bi trebali imati valnu prirodu, već istu kao kamenčići. Uostalom, elektroni su elementarne čestice materije, zar ne? Odnosno, ako su "bačeni" u 2 utora, poput kamenčića, tada bismo na ekranu iza utora trebali vidjeti 2 okomite trake.

Ali… Rezultat je bio zapanjujući. Znanstvenici su vidjeli interferencijski uzorak - puno okomitih pruga. Odnosno, elektroni, poput svjetlosti, također mogu imati valnu prirodu, mogu interferirati. S druge strane, postalo je jasno da svjetlost nije samo val, već i čestica - foton (iz povijesne pozadine na početku članka saznali smo da je Einstein za to otkriće dobio Nobelovu nagradu).

Možda se sjećate da su nam u školi govorili o fizici "dualizam čestica-val"? Znači kada su u pitanju vrlo male čestice (atomi, elektroni) mikrosvijeta, onda oni su i valovi i čestice

Danas smo ti i ja tako pametni i razumijemo da su 2 gore opisana eksperimenta - ispaljivanje elektrona i osvjetljavanje utora svjetlom - jedno te isto. Zato što ispaljujemo kvantne čestice u proreze. Sada znamo da su i svjetlost i elektroni kvantne prirode, oni su i valovi i čestice u isto vrijeme. A početkom 20. stoljeća rezultati ovog eksperimenta bili su prava senzacija.

Pažnja! Sada prijeđimo na suptilnije pitanje.

Svoje proreze obasjavamo strujom fotona (elektrona) - i vidimo interferencijski uzorak (okomite pruge) iza proreza na ekranu. Jasno je. Ali nas zanima kako svaki od elektrona leti kroz prorez.

Pretpostavlja se da jedan elektron leti u lijevi prorez, a drugi u desni. Ali tada bi se na zaslonu trebale pojaviti 2 okomite trake točno nasuprot utorima. Zašto se dobiva interferencijski uzorak? Možda elektroni na neki način međusobno djeluju već na ekranu nakon što su proletjeli kroz proreze. I rezultat je takav valni uzorak. Kako to možemo pratiti?

Elektrone nećemo bacati u snopu, već jedan po jedan. Baci ga, čekaj, ispusti sljedeći. Sada, kada elektron leti sam, više neće moći komunicirati na ekranu s drugim elektronima. Registrirat ćemo na ekranu svaki elektron nakon bacanja. Jedan ili dva, naravno, neće nam "naslikati" jasnu sliku. Ali kada ih jednog po jednog pošaljemo u utore, primijetit ćemo ... o užas - opet su "iscrtali" interferencijski valni uzorak!

Počinjemo polako luditi. Uostalom, očekivali smo da će biti 2 okomite pruge nasuprot utora! Ispostavilo se da kada smo bacali fotone jedan po jedan, svaki je od njih prošao, takoreći, kroz 2 proreza u isto vrijeme i interferirao sam sa sobom. Fikcija! Objašnjenju ovog fenomena vratit ćemo se u sljedećem odjeljku.

Što je spin i superpozicija?

Sada znamo što je smetnja. Ovo je valno ponašanje mikročestica - fotona, elektrona, drugih mikročestica (nazovimo ih od sada fotonima radi jednostavnosti).

Kao rezultat eksperimenta, kada smo bacili 1 foton u 2 proreza, shvatili smo da on leti kao da kroz dva proreza u isto vrijeme. Kako drugačije objasniti interferencijski uzorak na ekranu?

Ali kako zamisliti sliku da foton proleti kroz dva proreza u isto vrijeme? Postoje 2 opcije.

• 1. opcija: foton, poput vala (kao voda) "pluta" kroz 2 proreza istovremeno
• 2. opcija: foton, kao i čestica, leti istovremeno duž 2 putanje (čak ne dvije, nego sve odjednom)

U načelu, ove su izjave ekvivalentne. Došli smo do "integrala puta". Ovo je formulacija kvantne mehanike Richarda Feynmana.

Usput, upravo tako Richard Feynman pripada poznati izraz koji možemo pouzdano reći da nitko ne razumije kvantnu mehaniku

Ali ovaj njegov izraz djelovao je početkom stoljeća. Ali sada smo pametni i znamo da se foton može ponašati i kao čestica i kao val. Da može letjeti kroz 2 slota istovremeno na neki nama neshvatljiv način. Stoga će nam biti lako razumjeti sljedeću važnu izjavu kvantne mehanike:

Strogo govoreći, kvantna mehanika nam govori da je ovakvo ponašanje fotona pravilo, a ne iznimka. Svaka kvantna čestica je u pravilu u više stanja ili na više točaka u prostoru istovremeno.

Objekti makrosvijeta mogu biti samo na jednom određenom mjestu iu jednom određenom stanju. Ali kvantna čestica postoji prema vlastitim zakonima. I nije ju briga što ih ne razumijemo. Ovo je poanta.

Ostaje nam da jednostavno prihvatimo kao aksiom da "superpozicija" kvantnog objekta znači da se on može nalaziti na 2 ili više putanja u isto vrijeme, na 2 ili više točaka u isto vrijeme.

Isto vrijedi i za drugi parametar fotona - spin (vlastiti kutni moment). Spin je vektor. Kvantni objekt može se smatrati mikroskopskim magnetom. Navikli smo na činjenicu da je vektor magneta (spin) usmjeren gore ili dolje. Ali elektron ili foton nam opet govori: “Dečki, nije nas briga na što ste navikli, možemo biti u oba spin stanja odjednom (vektor gore, vektor dolje), baš kao što možemo biti na 2 putanje na isto vrijeme ili u 2 točke u isto vrijeme!

Što je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?

Ostaje nam malo - razumjeti što je "mjerenje" i što je "kolaps valne funkcije".

valna funkcija je opis stanja kvantnog objekta (našeg fotona ili elektrona).

Pretpostavimo da imamo elektron, on leti sam sebi u neodređenom stanju, njegov spin je usmjeren i gore i dolje u isto vrijeme. Moramo izmjeriti njegovo stanje.

Mjerimo pomoću magnetskog polja: elektroni čiji je spin bio usmjeren u smjeru polja odstupat će u jednom smjeru, a elektroni čiji je spin usmjeren protiv polja odstupat će u drugom smjeru. Fotoni se također mogu poslati na polarizacijski filter. Ako je spin (polarizacija) fotona +1, on prolazi kroz filter, a ako je -1, onda ne prolazi.

Stop! Tu se neminovno postavlja pitanje: prije mjerenja, na kraju krajeva, elektron nije imao neki određeni smjer spina, zar ne? Je li bio u svim stanjima u isto vrijeme?

Ovo je trik i senzacija kvantne mehanike.. Sve dok ne mjerite stanje kvantnog objekta, on se može okretati u bilo kojem smjeru (imati bilo koji smjer vlastitog vektora kutnog momenta - spina). Ali u trenutku kada ste izmjerili njegovo stanje, on kao da odlučuje koji vektor vrtnje uzeti.

Ovaj kvantni objekt je tako cool - donosi odluku o svom stanju. I ne možemo unaprijed predvidjeti kakvu će odluku donijeti kada uleti u magnetsko polje u kojem ga mjerimo. Vjerojatnost da odluči imati spin vektor "gore" ili "dolje" je 50 do 50%. Ali čim odluči, nalazi se u određenom stanju s određenim smjerom vrtnje. Razlog njegove odluke je naša "dimenzija"!

Ovo se zove " kolaps valne funkcije". Valna funkcija prije mjerenja bila je neodređena, tj. vektor spina elektrona bio je istovremeno u svim smjerovima, nakon mjerenja, elektron je fiksirao određeni smjer vektora spina.

Pažnja! Odličan primjer-asocijacija iz našeg makrokozmosa za razumijevanje:

Zavrtite novčić na stolu poput vrha. Dok se novčić vrti, on nema određeno značenje - glava ili rep. Ali čim odlučite "izmjeriti" tu vrijednost i tresnuti novčić rukom, tu ćete dobiti specifično stanje novčića - glava ili rep. Sada zamislite da ovaj novčić odlučuje koju vrijednost će vam "pokazati" - glavu ili rep. Otprilike isto se ponaša i elektron.

Sada se prisjetite eksperimenta prikazanog na kraju crtića. Kad su fotoni prošli kroz proreze, ponašali su se poput vala i pokazivali interferencijski uzorak na ekranu. A kada su znanstvenici htjeli fiksirati (izmjeriti) trenutak prolaska fotona kroz prorez i staviti “promatrača” iza ekrana, fotoni su se počeli ponašati ne kao valovi, već kao čestice. I "nacrtane" 2 okomite pruge na ekranu. Oni. u trenutku mjerenja ili promatranja kvantni objekti sami biraju u kakvom će stanju biti.

Fikcija! Nije li?

Ali to nije sve. Napokon mi došao do najzanimljivijeg.

Ali ... čini mi se da će biti previše informacija, pa ćemo ova 2 koncepta razmotriti u zasebnim postovima:

• Što ?
• Što je misaoni eksperiment.

A sada, želite li da se informacije stave na police? Pogledajte dokumentarac u produkciji Kanadskog instituta za teorijsku fiziku. U 20 minuta će vam vrlo kratko i kronološki ispričati sva otkrića kvantne fizike, počevši od otkrića Plancka 1900. godine. A onda će vam reći koji se praktični razvoj trenutno provodi na temelju znanja o kvantnoj fizici: od najpreciznijih atomskih satova do superbrzih izračuna kvantnog računala. Toplo preporučam pogledati ovaj film.

Vidimo se!

Želim vam svima inspiraciju za sve vaše planove i projekte!

P.S.2 Napišite svoja pitanja i mišljenja u komentarima. Napiši, koja te još pitanja iz kvantne fizike zanimaju?

P.S.3 Pretplatite se na blog - obrazac za pretplatu ispod članka.