Dalam fizik kuantum kita harus mengatakan bahawa. Terdapat hubungan aneh antara kesedaran manusia dan fizik kuantum

Percubaan baharu mungkin memberi penerangan tentang mekanik tersembunyi superposisi kuantum yang mengejutkan.

Superposisi- konsep bahawa objek kecil boleh wujud di beberapa tempat atau keadaan pada masa yang sama - adalah asas fizik kuantum. Percubaan baharu cuba memberi penerangan tentang fenomena misteri ini.

Persoalan besar dalam mekanik kuantum yang tiada siapa tahu jawapannya ialah: apakah yang sebenarnya berlaku dalam superposisi - keadaan pelik di mana zarah berada di dua atau lebih tempat atau keadaan pada masa yang sama? Sekumpulan penyelidik dari Israel dan Jepun telah mencadangkan satu eksperimen yang akhirnya akan membolehkan kita mengetahui sesuatu yang tepat tentang sifat fenomena misteri ini.

Percubaan mereka, yang dikatakan penyelidik boleh disiapkan dalam masa beberapa bulan, sepatutnya membolehkan saintis memahami di mana objek-dalam kes ini, zarah cahaya yang dipanggil foton-sebenarnya terletak apabila ia berada dalam superposisi. Dan para penyelidik meramalkan jawapannya akan menjadi lebih pelik dan lebih mengejutkan daripada "dua tempat sekaligus."

Contoh superposisi klasik melibatkan penangkapan foton melalui dua celah selari dalam penghadang. Salah satu aspek asas mekanik kuantum ialah zarah-zarah kecil boleh berkelakuan seperti gelombang, supaya mereka yang melalui satu celah "mengganggu" mereka yang melalui yang lain, riak beralun mereka membesarkan atau menukar satu sama lain untuk mencipta struktur ciri pada skrin pengesan. Perkara yang aneh, bagaimanapun, adalah gangguan ini berlaku walaupun hanya satu zarah ditembak pada satu masa. Zarah itu kelihatan melalui kedua-dua celah sekaligus. Ini adalah superposisi.

Dan ini sangat pelik: mengukur dengan tepat celah mana yang dilalui zarah selalu menunjukkan bahawa ia melalui hanya satu celah, dalam hal ini gangguan gelombang ("kuantumiti", jika anda mahu) hilang. Tindakan pengukuran seolah-olah "memecahkan" superposisi. " Kami tahu bahawa sesuatu yang pelik berlaku dalam superposisi"kata ahli fizik Avshalom Elitzer dari Institut Kajian Lanjutan Israel. "Tetapi anda tidak boleh mengukurnya. Inilah yang menjadikan mekanik kuantum begitu misteri."

Selama beberapa dekad, penyelidik telah terperangkap pada kebuntuan yang jelas ini. Mereka tidak dapat mengetahui dengan tepat apa itu superposisi tanpa memerhatikannya; tetapi jika mereka cuba melihatnya, ia akan hilang. Satu penyelesaian yang mungkin, dibangunkan oleh bekas mentor Elitzur, ahli fizik Israel Yakir Aharonov di Universiti Chapman, dan rakan usaha samanya, menawarkan cara untuk mempelajari sesuatu tentang zarah kuantum sebelum pengukuran. Pendekatan Acharon dipanggil formalisme dua keadaan (TSVF) mekanik kuantum, dan postulat peristiwa kuantum dalam erti kata tertentu ditentukan oleh keadaan kuantum bukan sahaja pada masa lalu, tetapi juga pada masa hadapan. Iaitu, TSVF menganggap bahawa mekanik kuantum berfungsi dengan cara yang sama ke hadapan dan ke belakang dalam masa. Pada pandangan ini, punca nampaknya dapat dilanjutkan ke masa lalu, berlaku selepas kesan.

Tetapi konsep pelik ini tidak boleh diambil secara literal. Sebaliknya, dalam TSVF adalah mungkin untuk mendapatkan pengetahuan retrospektif tentang apa yang berlaku dalam sistem kuantum: daripada hanya mengukur di mana zarah berakhir, penyelidik memilih lokasi tertentu untuk mencari. Ini dipanggil pasca pemilihan, dan ia memberikan lebih banyak maklumat daripada sebarang pandangan mutlak pada keputusan. Ini kerana keadaan zarah pada bila-bila masa dinilai secara retrospektif berdasarkan keseluruhan sejarahnya sehingga dan termasuk pengukuran. Ternyata penyelidik - hanya dengan memilih hasil tertentu untuk dicari - kemudian membuat kesimpulan bahawa hasilnya harus berlaku. Ia agak seperti menghidupkan TV apabila program kegemaran anda akan disiarkan, tetapi tindakan anda menyebabkan program itu disiarkan pada saat itu juga. "Adalah diterima secara umum bahawa TSVF secara matematik bersamaan dengan mekanik kuantum standard, " kata David Wallace, seorang ahli falsafah sains di University of Southern California yang pakar dalam tafsiran mekanik kuantum. "Tetapi ia membawa kepada beberapa perkara yang tidak dilihat secara berbeza."

Ambil, sebagai contoh, versi percubaan dua saat yang dibangunkan oleh Aharonov dan kolaborator Lev Vaidman pada tahun 2003, yang mereka tafsirkan menggunakan TSVF. Pasangan itu menerangkan (tetapi tidak membina) sistem optik di mana satu foton bertindak sebagai "pengatup" yang menutup celah, menyebabkan satu lagi foton "ujian" mendekati celah untuk dipantulkan kembali seperti yang kelihatan. Selepas mengukur foton ujian, seperti yang ditunjukkan oleh Aharonov dan Vaidman, seseorang boleh melihat gambar pengatup dalam superposisi, menutup secara serentak (atau banyak sewenang-wenangnya) celah pada masa yang sama. Dalam erti kata lain, eksperimen pemikiran ini, secara teori, membolehkan untuk mengatakan dengan pasti bahawa foton pengatup berada pada masa yang sama "di sini" dan "di sana." Walaupun keadaan ini kelihatan paradoks dari pengalaman seharian kita, ia adalah satu aspek yang dikaji dengan baik dari apa yang dipanggil sifat "bukan tempatan" zarah kuantum di mana keseluruhan konsep kedudukan yang jelas dalam ruang larut.

Pada 2016, ahli fizik Rio Okamoto dan Shigeki Takeuchi dari Universiti Kyoto secara eksperimen mengesahkan ramalan Aharonov dan Vaidman menggunakan litar berpandu cahaya di mana pengatup difoto menggunakan penghala kuantum, peranti yang membenarkan satu foton mengawal laluan yang lain. "Ini adalah percubaan terobosan yang membenarkan zarah diletakkan di dua tempat pada masa yang sama, " kata rakan sekerja Elitzur Eliahu Cohen dari Universiti Ottawa di Ontario.

Kini Elitzur dan Cohen telah bekerjasama dengan Okamoto dan Takeuchi untuk menghasilkan percubaan yang lebih menarik. Mereka percaya ini akan membolehkan penyelidik mengetahui dengan lebih yakin tentang lokasi zarah dalam superposisi pada jujukan titik masa yang berbeza sebelum sebarang ukuran sebenar dibuat.

Kali ini, laluan foton probe akan dibahagikan kepada tiga bahagian oleh cermin. Di sepanjang setiap laluan ini ia boleh berinteraksi dengan foton gerbang dalam superposisi. Interaksi ini boleh dianggap sebagai dibuat dalam kotak berlabel A, B, dan C, setiap satu terletak di sepanjang setiap tiga laluan foton yang mungkin. Dengan mempertimbangkan gangguan diri foton probe, adalah mungkin untuk menyimpulkan secara retrospektif dengan pasti bahawa zarah get berada dalam kotak tertentu pada masa tertentu.

Eksperimen direka bentuk supaya foton ujian hanya boleh menunjukkan gangguan jika ia berinteraksi dengan foton get pada urutan tempat dan masa tertentu: iaitu, jika foton get berada dalam kedua-dua blok A dan C pada suatu masa (t1), maka pada masa kemudian (t2) - hanya pada C, dan pada masa yang lebih kemudian (t3) - pada kedua-dua B dan C. Oleh itu, gangguan dalam foton probe akan menjadi tanda muktamad bahawa foton get sebenarnya melalui jujukan aneh ini. fenomena yang berbeza di antara kotak pada masa yang berbeza - idea Elitzur, Cohen dan Aharonov, yang tahun lepas mencadangkan satu zarah melalui tiga kotak secara serentak. "Saya suka bagaimana kertas ini bertanya soalan tentang apa yang berlaku dari segi keseluruhan sejarah dan bukannya keadaan serta-merta, " kata ahli fizik Ken Wharton dari San Jose State University, yang tidak terlibat dalam projek baru. "Bercakap tentang 'negeri' adalah kecenderungan lama yang meluas, manakala cerita penuh cenderung lebih kaya dan lebih menarik."

Inilah yang Elitzur mendakwa percubaan TSVF baharu menyediakan akses kepada. Kehilangan ketara zarah di satu tempat pada satu masa - dan kemunculan semula mereka di tempat dan masa lain - mencadangkan pandangan baharu dan luar biasa tentang proses asas yang dikaitkan dengan kewujudan zarah kuantum bukan tempatan. Melalui lensa TSVF, Elitzur berkata, kewujudan yang berkelip dan sentiasa berubah ini boleh difahami sebagai satu siri peristiwa di mana kehadiran zarah di satu tempat entah bagaimana "dibatalkan" oleh "sebelah bertentangan"nya sendiri di tempat yang sama. Dia membandingkan ini dengan konsep yang diperkenalkan oleh ahli fizik British Paul Dirac pada tahun 1920-an, yang berpendapat bahawa zarah mempunyai antizarah dan, jika disatukan, zarah dan antizarah boleh memusnahkan satu sama lain. Gambar ini pada mulanya kelihatan seperti cara bercakap, tetapi tidak lama kemudian membawa kepada penemuan antimateri. Kehilangan zarah kuantum bukanlah "pemusnahan" dalam erti kata yang sama, tetapi ia agak serupa - zarah bertentangan yang diduga ini, Elitzur percaya, mesti mempunyai tenaga negatif dan jisim negatif, membolehkan mereka membatalkan rakan sejawatannya.

Jadi walaupun superposisi tradisional "dua tempat serentak" mungkin kelihatan agak pelik, "mungkin superposisi ialah koleksi negeri yang lebih gila," kata Elitzur. "Mekanik kuantum hanya memberitahu anda keadaan purata mereka." Pemilihan seterusnya membenarkan hanya beberapa negeri ini untuk diasingkan dan diuji pada resolusi yang lebih besar, dia mencadangkan. Tafsiran tingkah laku kuantum sedemikian akan, dalam kata-katanya, "revolusioner" kerana ia akan melibatkan menagerie keadaan sebenar (tetapi sangat pelik) yang sehingga kini tidak boleh diterima yang mendasari fenomena kuantum yang bercanggah.

Para penyelidik berkata menjalankan eksperimen sebenar akan memerlukan penalaan halus prestasi penghala kuantum mereka, tetapi mereka berharap sistem mereka akan bersedia untuknya dalam masa tiga hingga lima bulan. Sementara beberapa pemerhati sedang menunggunya dengan nafas tersekat-sekat. "Percubaan harus berfungsi, " kata Wharton, "tetapi ia tidak akan meyakinkan sesiapa kerana hasilnya diramalkan oleh mekanik kuantum standard." Dalam erti kata lain, tidak ada sebab yang baik untuk mentafsir keputusan dari segi TSVF.

Elitzur bersetuju bahawa percubaan mereka boleh direka menggunakan pandangan umum mekanik kuantum yang memerintah beberapa dekad yang lalu, tetapi itu tidak pernah berlaku. " Bukankah ini petunjuk yang baik tentang kebolehpercayaan TSVF?? - dia bertanya. Dan sekiranya sesiapa berpendapat mereka boleh merumuskan gambaran berbeza tentang "apa yang sebenarnya berlaku" dalam eksperimen ini menggunakan mekanik kuantum standard, dia menambah: " Baiklah, biarkan mereka mencuba!»

Kami biasanya menganggap fizik kuantum sebagai menggambarkan tingkah laku zarah subatom, bukan tingkah laku manusia. Tetapi idea itu tidak terlalu mengada-ada, kata Wong. Dia juga menekankan bahawa program penyelidikannya tidak menunjukkan bahawa otak kita secara literal adalah komputer kuantum. Wong dan rakan sekerja tidak tertumpu pada aspek fizikal otak, tetapi lebih kepada bagaimana prinsip matematik abstrak teori kuantum boleh membantu memahami kesedaran dan tingkah laku manusia.

"Dalam kedua-dua sains sosial dan tingkah laku, kita sering menggunakan model probabilistik. Sebagai contoh, kita bertanya soalan, apakah kebarangkalian seseorang itu akan bertindak mengikut cara tertentu atau membuat keputusan tertentu? Secara tradisinya, model ini semuanya berdasarkan teori kebarangkalian klasik - yang timbul daripada fizik klasik sistem Newtonian. Apakah yang eksotik tentang ahli sains sosial memikirkan sistem kuantum dan prinsip matematik mereka?

Menangani kekaburan dalam dunia fizikal. Keadaan zarah tertentu, tenaganya, kedudukannya semuanya tidak pasti dan mesti dikira dari segi kebarangkalian. Kognisi kuantum dilahirkan apabila seseorang berhadapan dengan kekaburan psikik. Kadangkala kita tidak pasti dengan perasaan kita, berasa ragu-ragu tentang memilih pilihan, atau terpaksa membuat keputusan berdasarkan maklumat yang terhad.

“Otak kita tidak boleh menyimpan segala-galanya. Kami tidak selalu mempunyai idea yang jelas tentang apa yang sedang berlaku. Tetapi jika anda bertanya kepada saya soalan seperti "apa yang anda mahu untuk makan malam?", Saya akan memikirkannya dan memberikan jawapan yang membina dan jelas," kata Wong. "Ini adalah kognisi kuantum."

"Saya fikir formalisme matematik yang disediakan oleh teori kuantum adalah konsisten dengan apa yang kita intui sebagai ahli psikologi. Teori kuantum mungkin tidak intuitif sama sekali apabila digunakan untuk menggambarkan tingkah laku zarah, tetapi ia agak intuitif apabila ia digunakan untuk menggambarkan pemikiran tipikal kita yang samar-samar dan samar-samar."

Dia menggunakan contoh kucing Schrödinger, di mana kucing di dalam kotak mempunyai kebarangkalian tertentu untuk hidup dan mati. Kedua-dua pilihan adalah berpotensi dalam fikiran kita. Maksudnya, kucing itu berpotensi untuk mati dan hidup. Kesan ini dipanggil superposisi kuantum. Apabila kita membuka kotak, kedua-dua kebarangkalian tidak lagi wujud dan kucing itu mesti sama ada mati atau hidup.

Dengan kesedaran kuantum, setiap keputusan yang kami buat adalah kucing Schrödinger unik kami sendiri.

Apabila kita melalui pilihan, kita melihatnya dengan pandangan dalaman kita. Untuk beberapa waktu, semua pilihan wujud bersama dengan tahap potensi yang berbeza-beza: seperti superposisi. Kemudian, apabila kita memilih satu pilihan, yang lain tidak lagi wujud untuk kita.

Memodelkan proses ini secara matematik adalah sukar, sebahagiannya kerana setiap pilihan yang mungkin menambah berat kepada persamaan. Jika, semasa pilihan raya, seseorang diminta memilih daripada dua puluh calon dalam satu undi, masalah pilihan menjadi jelas (jika orang itu melihat nama mereka buat kali pertama). Soalan terbuka seperti "apakah perasaan anda?" meninggalkan lebih banyak pilihan yang mungkin.

Dengan pendekatan klasik kepada psikologi, jawapannya mungkin tidak masuk akal sama sekali, jadi saintis perlu membina aksiom matematik baharu untuk menerangkan tingkah laku dalam setiap kes individu. Hasilnya: banyak model psikologi klasik telah muncul, beberapa daripadanya bercanggah antara satu sama lain, dan tidak ada yang terpakai untuk setiap situasi.

Dengan pendekatan kuantum, seperti yang dinyatakan Wong dan rakan-rakannya, banyak aspek tingkah laku yang kompleks dan kompleks boleh dijelaskan oleh satu set aksiom yang terhad. Model kuantum yang sama yang menjelaskan mengapa susunan soalan mempengaruhi respons orang ramai juga menerangkan kegagalan rasional dalam paradigma dilema banduan, kesan di mana orang bekerja bersama walaupun ia bukan untuk kepentingan terbaik mereka.

"Dilema dan susunan soalan banduan adalah dua kesan yang sangat berbeza dalam psikologi klasik, tetapi kedua-duanya boleh dijelaskan oleh model kuantum yang sama," kata Wong. - Dengan bantuannya, banyak kesimpulan lain, tidak berkaitan dan misteri dalam psikologi boleh dijelaskan. Dan dengan elegan.”

29.10.2016

Walaupun kesohoran dan misteri topik hari ini, kami akan cuba memberitahu apa kajian fizik kuantum, dengan kata mudah, apakah cabang fizik kuantum yang berlaku dan mengapa fizik kuantum diperlukan pada dasarnya.

Bahan yang ditawarkan di bawah boleh difahami oleh sesiapa sahaja.

Sebelum bercakap tentang kajian fizik kuantum, adalah wajar untuk mengingati di mana semuanya bermula...

Menjelang pertengahan abad ke-19, manusia terlibat secara serius dalam kajian masalah yang mustahil untuk diselesaikan menggunakan alat fizik klasik.

Beberapa fenomena kelihatan "pelik". Beberapa soalan tidak menemui jawapan sama sekali.

Pada tahun 1850-an, William Hamilton, mempercayai bahawa mekanik klasik tidak dapat menggambarkan pergerakan sinar cahaya dengan tepat, mencadangkan teorinya sendiri, yang turun dalam sejarah sains di bawah nama Hamilton-Jacobi formalism, yang berdasarkan postulat. teori gelombang cahaya.

Pada tahun 1885, selepas berhujah dengan seorang rakan, ahli fizik Switzerland Johann Balmer secara empirik memperoleh formula yang memungkinkan untuk mengira panjang gelombang garis spektrum dengan ketepatan yang sangat tinggi.

Balmer tidak dapat menjelaskan sebab bagi corak yang dikenal pasti.

Pada tahun 1895, Wilhelm Roentgen, semasa mengkaji sinar katod, menemui sinaran yang dipanggilnya sinar-X (kemudian dinamakan sinar), dicirikan oleh sifat penembusan yang kuat.

Setahun kemudian, pada tahun 1896, Henri Becquerel, semasa mengkaji garam uranium, menemui sinaran spontan dengan sifat yang serupa. Fenomena baru itu dipanggil radioaktiviti.

Pada tahun 1899, sifat gelombang sinar-X telah terbukti.

Foto 1. Pengasas fizik kuantum Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr

Tahun 1901 ditandai dengan kemunculan model planet pertama atom, yang dicadangkan oleh Jean Perrin. Malangnya, saintis itu sendiri meninggalkan teori ini, tidak menemui pengesahan untuknya dari sudut pandangan teori elektrodinamik.

Dua tahun kemudian, saintis Jepun Hantaro Nagaoka mencadangkan satu lagi model planet atom, di tengah-tengahnya harus ada zarah bercas positif, di mana elektron akan berputar dalam orbit.

Teori ini, bagaimanapun, tidak mengambil kira sinaran yang dipancarkan oleh elektron dan oleh itu tidak dapat, sebagai contoh, menjelaskan teori garis spektrum.

Mencerminkan struktur atom, pada tahun 1904 Joseph Thomson mula-mula mentafsirkan konsep valens dari sudut fizikal.

Tahun kelahiran fizik kuantum, mungkin, boleh diiktiraf sebagai 1900, mengaitkan dengannya ucapan Max Planck pada mesyuarat Fizik Jerman.

Plancklah yang mencadangkan teori yang menyatukan banyak konsep fizikal, formula dan teori yang berbeza sehingga kini, termasuk pemalar Boltzmann, tenaga penghubung dan suhu, nombor Avogadro, undang-undang anjakan Wien, cas elektron, undang-undang sinaran Boltzmann...

Beliau juga memperkenalkan konsep kuantum tindakan (yang kedua - selepas pemalar Boltzmann - pemalar asas).

Perkembangan selanjutnya fizik kuantum berkaitan secara langsung dengan nama-nama 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 dan ramai saintis lain yang luar biasa, yang bekerja pada separuh pertama abad ke-20.

Para saintis berjaya memahami sifat zarah asas dengan kedalaman yang tidak pernah berlaku sebelum ini, mengkaji interaksi zarah dan medan, mendedahkan sifat kuark jirim, memperoleh fungsi gelombang, dan menerangkan konsep asas diskret (kuantisasi) dan dualiti gelombang-zarah.

Teori kuantum, tidak seperti yang lain, telah membawa manusia lebih dekat untuk memahami undang-undang asas alam semesta, menggantikan konsep konvensional dengan yang lebih tepat, dan memaksa kita untuk memikirkan semula sejumlah besar model fizikal.

Apakah kajian fizik kuantum?

Fizik kuantum menerangkan sifat jirim pada tahap fenomena mikro, mengkaji undang-undang pergerakan objek mikro (objek kuantum).

Subjek kajian fizik kuantum membentuk objek kuantum dengan dimensi 10 −8 cm atau kurang. ini:

molekul,
atom,
nukleus atom,
zarah asas.

Ciri-ciri utama mikroobjek ialah jisim rehat dan cas elektrik. Jisim satu elektron (me) ialah 9.1 10 −28 g.

Sebagai perbandingan, jisim muon ialah 207 me, neutron ialah 1839 me, proton ialah 1836 me.

Sesetengah zarah tidak mempunyai jisim rehat sama sekali (neutrino, foton). Jisim mereka ialah 0 saya.

Caj elektrik mana-mana objek mikro ialah gandaan cas elektron, bersamaan dengan 1.6 × 10 −19 C. Bersama-sama dengan objek bercas, terdapat objek mikro neutral yang casnya adalah sifar.

Foto 2. Fizik kuantum telah memaksa kita untuk mempertimbangkan semula pandangan tradisional tentang konsep gelombang, medan dan zarah

Caj elektrik bagi objek mikro kompleks adalah sama dengan jumlah algebra bagi cas zarah konstituennya.

Sifat-sifat mikroobjek termasuk berputar(diterjemahkan secara literal daripada bahasa Inggeris - "to rotate").

Ia biasanya ditafsirkan sebagai momentum sudut objek kuantum, bebas daripada keadaan luaran.

Sukar untuk mencari imej belakang yang mencukupi di dunia nyata. Ia tidak boleh dianggap sebagai gasing berputar kerana sifat kuantumnya. Fizik klasik tidak mampu untuk menerangkan objek ini.

Kehadiran putaran mempengaruhi tingkah laku mikroobjek.

Kehadiran putaran memperkenalkan ciri penting ke dalam tingkah laku objek dunia mikro, yang kebanyakannya - objek tidak stabil - secara spontan mereput, bertukar menjadi objek kuantum lain.

Objek mikro yang stabil, yang termasuk neutrino, elektron, foton, proton, serta atom dan molekul, mampu mereput hanya di bawah pengaruh tenaga berkuasa.

Fizik kuantum menyerap sepenuhnya fizik klasik, menganggapnya sebagai kes hadnya.

Sebenarnya, fizik kuantum adalah - dalam erti kata yang luas - fizik moden.

Apa yang diterangkan oleh fizik kuantum dalam dunia mikro adalah mustahil untuk dilihat. Oleh kerana itu, banyak peruntukan fizik kuantum sukar dibayangkan, berbeza dengan objek yang diterangkan oleh fizik klasik.

Walaupun begitu, teori baharu telah memungkinkan untuk menukar idea kita tentang gelombang dan zarah, tentang perihalan dinamik dan kebarangkalian, tentang berterusan dan diskret.

Fizik kuantum bukan sekadar teori baru.

Ini adalah teori yang dapat meramalkan dan menjelaskan bilangan fenomena yang luar biasa - daripada proses yang berlaku dalam nukleus atom kepada kesan makroskopik di angkasa lepas.

Fizik kuantum - tidak seperti fizik klasik - mengkaji perkara pada tahap asas, memberikan tafsiran kepada fenomena dalam realiti sekeliling yang tidak mampu diberikan oleh fizik tradisional (contohnya, mengapa atom kekal stabil atau sama ada zarah asas benar-benar asas).

Teori kuantum memberi kita peluang untuk menerangkan dunia dengan lebih tepat daripada yang diterima sebelum penubuhannya.

Kepentingan Fizik Kuantum

Perkembangan teori yang membentuk intipati fizik kuantum boleh digunakan untuk kajian kedua-dua objek angkasa yang sangat besar dan zarah asas yang sangat kecil.

Elektrodinamik kuantum menenggelamkan kita dalam dunia foton dan elektron, memberi tumpuan kepada kajian interaksi antara mereka.

Teori kuantum jirim pekat memperdalam pengetahuan kita tentang cecair super, magnet, hablur cecair, pepejal amorf, hablur dan polimer.

Foto 3. Fizik kuantum telah memberikan manusia gambaran yang lebih tepat tentang dunia di sekeliling kita

Penyelidikan saintifik dalam beberapa dekad kebelakangan ini telah tertumpu kepada kajian struktur kuark zarah asas dalam rangka cabang bebas fizik kuantum - kromodinamik kuantum.

Mekanik kuantum bukan relativistik(yang berada di luar skop teori relativiti Einstein) mengkaji objek mikroskopik yang bergerak pada kelajuan yang agak rendah (kurang daripada ), sifat molekul dan atom, strukturnya.

Optik kuantum terlibat dalam kajian saintifik fakta yang berkaitan dengan manifestasi sifat kuantum cahaya (proses fotokimia, sinaran haba dan rangsangan, kesan fotoelektrik).

Teori medan kuantum ialah bahagian penyatuan yang menggabungkan idea-idea teori relativiti dan mekanik kuantum.

Teori saintifik yang dibangunkan dalam rangka fizik kuantum telah memberikan dorongan yang kuat kepada pembangunan elektronik kuantum, teknologi, teori kuantum pepejal, sains bahan, dan kimia kuantum.

Tanpa kemunculan dan perkembangan cabang ilmu yang terkenal, adalah mustahil untuk mencipta kapal angkasa, pemecah ais nuklear, komunikasi mudah alih dan banyak lagi ciptaan berguna.

Tiada siapa yang memahami apa itu kesedaran dan bagaimana ia berfungsi. Tiada siapa yang memahami mekanik kuantum sama ada. Mungkinkah ini lebih daripada sekadar kebetulan? "Saya tidak dapat mengenal pasti masalah sebenar, jadi saya mengesyaki tiada masalah sebenar, tetapi saya tidak pasti tiada masalah sebenar." Ahli fizik Amerika Richard Feynman berkata demikian tentang paradoks misteri mekanik kuantum. Hari ini, ahli fizik menggunakan teori ini untuk menerangkan objek terkecil di Alam Semesta. Tetapi dia boleh mengatakan perkara yang sama tentang masalah kesedaran yang kusut.

Sesetengah saintis berpendapat bahawa kita sudah memahami kesedaran atau ia hanyalah ilusi. Tetapi bagi ramai orang lain nampaknya kita tidak hampir dengan intipati kesedaran.

Teka-teki yang dipanggil kesedaran selama beberapa dekad bahkan telah menyebabkan beberapa saintis cuba menjelaskannya menggunakan fizik kuantum. Tetapi ketekunan mereka dipenuhi dengan keraguan yang cukup, dan ini tidak menghairankan: nampaknya tidak munasabah untuk menjelaskan satu misteri dengan bantuan yang lain.

Tetapi idea-idea sedemikian tidak pernah tidak masuk akal dan tidak keluar dari udara nipis.

Di satu pihak, dengan rasa tidak puas hati ahli fizik, minda pada mulanya enggan memahami teori kuantum awal. Selain itu, komputer kuantum diramalkan mampu melakukan perkara yang tidak mampu dilakukan oleh komputer konvensional. Ini mengingatkan kita bahawa otak kita masih mampu melakukan pencapaian di luar jangkauan kecerdasan buatan. "Kesedaran kuantum" diejek secara meluas sebagai karut mistik, tetapi tiada siapa yang dapat menghilangkannya sepenuhnya.

Mekanik kuantum ialah teori terbaik yang kita ada yang boleh menggambarkan dunia pada tahap atom dan zarah subatom. Mungkin misterinya yang paling terkenal ialah hakikat bahawa hasil eksperimen kuantum boleh berubah bergantung kepada sama ada kita memutuskan untuk mengukur sifat zarah yang terlibat atau tidak.

Apabila perintis teori kuantum mula-mula menemui "kesan pemerhati" ini, mereka sangat cemas. Dia seolah-olah melemahkan andaian yang mendasari semua sains: bahawa ada dunia objektif di luar sana di suatu tempat, bebas daripada kita. Jika dunia benar-benar berkelakuan bergantung pada bagaimana - atau jika - kita melihatnya, apakah maksud "realiti" sebenarnya?

Sesetengah saintis telah dipaksa untuk membuat kesimpulan bahawa objektiviti adalah ilusi dan kesedaran mesti memainkan peranan aktif dalam teori kuantum. Yang lain langsung tidak melihat apa-apa akal dalam hal ini. Sebagai contoh, Albert Einstein berasa jengkel: adakah bulan benar-benar wujud hanya apabila anda melihatnya?

Hari ini, sesetengah ahli fizik mengesyaki bahawa bukan kesedaran mempengaruhi mekanik kuantum... tetapi ia muncul pada mulanya berkatnya. Mereka percaya bahawa kita mungkin memerlukan teori kuantum untuk memahami bagaimana otak berfungsi sama sekali. Mungkinkah sama seperti objek kuantum boleh berada di dua tempat sekaligus, otak kuantum boleh bermakna dua perkara yang saling eksklusif pada masa yang sama?

Idea ini adalah kontroversi. Ia mungkin ternyata bahawa fizik kuantum tidak ada kaitan dengan kerja kesedaran. Tetapi mereka sekurang-kurangnya menunjukkan bahawa teori kuantum yang pelik membuat kita berfikir tentang perkara yang aneh.

Cara terbaik mekanik kuantum masuk ke dalam kesedaran manusia adalah melalui eksperimen celah berganda. Bayangkan pancaran cahaya yang jatuh pada skrin dengan dua celah selari yang rapat. Sebahagian cahaya melalui celah dan jatuh pada skrin lain.

Anda boleh menganggap cahaya sebagai gelombang. Apabila gelombang melalui dua celah, seperti dalam eksperimen, ia berlanggar - mengganggu - antara satu sama lain. Jika puncaknya bertepatan, ia menguatkan satu sama lain, menghasilkan satu siri jalur cahaya hitam dan putih pada skrin hitam kedua.

Eksperimen ini digunakan untuk menunjukkan sifat gelombang cahaya selama lebih daripada 200 tahun sehingga teori kuantum muncul. Kemudian eksperimen celah berganda dijalankan dengan zarah kuantum - elektron. Ini adalah zarah bercas kecil, komponen atom. Secara tidak dapat dijelaskan, zarah-zarah ini boleh berkelakuan seperti gelombang. Iaitu, mereka mengalami pembelauan apabila aliran zarah melalui dua celah, menghasilkan corak gangguan.

Sekarang andaikan zarah kuantum melalui celah satu demi satu dan ketibaannya pada skrin juga akan diperhatikan langkah demi langkah. Sekarang tiada apa-apa yang jelas yang akan menyebabkan zarah mengganggu laluannya. Tetapi corak kesan zarah masih akan menunjukkan pinggiran gangguan.

Semuanya menunjukkan bahawa setiap zarah secara serentak melalui kedua-dua celah dan mengganggu dirinya sendiri. Gabungan dua laluan ini dikenali sebagai keadaan superposisi.

Tetapi inilah yang peliknya.

Jika kita meletakkan pengesan di dalam atau di belakang salah satu celah, kita boleh mengetahui sama ada zarah melalui atau tidak. Tetapi dalam kes ini gangguan itu hilang. Fakta memerhatikan laluan zarah-walaupun pemerhatian itu tidak boleh mengganggu pergerakan zarah-menukar hasilnya.

Ahli fizik Pascual Jordan, yang bekerja dengan guru kuantum Niels Bohr di Copenhagen pada tahun 1920-an, berkata begini: “Pemerhatian bukan sahaja melanggar apa yang hendak diukur, mereka menentukannya... Kami memaksa zarah kuantum untuk memilih kedudukan tertentu. ” Dalam erti kata lain, Jordan mengatakan bahawa "kami menghasilkan ukuran sendiri."

Jika ini benar, realiti objektif boleh dibuang begitu sahaja.

Tetapi keanehannya tidak berakhir di situ.

Jika alam mengubah tingkah lakunya bergantung pada sama ada kita melihat atau tidak, kita boleh cuba memperdayakannya. Untuk melakukan ini, kita boleh mengukur laluan mana zarah mengambil apabila melalui celah berganda, tetapi hanya selepas melaluinya. Pada masa itu, dia sepatutnya sudah "membuat keputusan" sama ada untuk melalui satu laluan atau kedua-duanya.

Ahli fizik Amerika John Wheeler mencadangkan eksperimen sedemikian pada tahun 1970-an, dan dalam sepuluh tahun akan datang eksperimen "pilihan tertunda" telah dijalankan. Ia menggunakan teknik pintar untuk mengukur laluan zarah kuantum (biasanya zarah cahaya - foton) selepas mereka memilih satu laluan atau superposisi dua.

Ternyata, seperti yang diramalkan oleh Bohr, tidak ada bezanya sama ada kita menangguhkan pengukuran atau tidak. Selagi kita mengukur laluan foton sebelum ia mencecah dan mendaftar dalam pengesan, tiada gangguan. Nampaknya alam semula jadi "tahu" bukan sahaja apabila kita mengintip, tetapi juga apabila kita merancang untuk mengintip.

Eugene Wigner

Setiap kali kita menemui laluan zarah kuantum dalam eksperimen ini, awan laluan yang mungkin "dimampatkan" menjadi satu keadaan yang jelas. Selain itu, percubaan kelewatan mencadangkan bahawa tindakan pemerhatian, tanpa sebarang campur tangan fizikal yang disebabkan oleh pengukuran, boleh menyebabkan keruntuhan. Adakah ini bermakna bahawa keruntuhan sebenar berlaku hanya apabila hasil pengukuran mencapai kesedaran kita?

Kemungkinan ini telah dicadangkan pada tahun 1930-an oleh ahli fizik Hungary Eugene Wigner. "Ia berikutan daripada ini bahawa penerangan kuantum objek dipengaruhi oleh kesan yang memasuki kesedaran saya," tulisnya. "Solipsisme mungkin konsisten secara logik dengan mekanik kuantum."

Wheeler malah terhibur dengan idea bahawa kehadiran makhluk hidup yang mampu "memerhati" mengubah apa yang sebelum ini menjadi banyak kemungkinan masa lampau kuantum kepada satu sejarah tertentu. Dalam pengertian ini, Wheeler berkata, kita menjadi peserta dalam evolusi Alam Semesta sejak awalnya. Dalam kata-katanya, kita hidup dalam "alam semesta penyertaan."

Ahli fizik masih bergelut untuk memutuskan tafsiran terbaik bagi eksperimen kuantum ini, dan sedikit sebanyak, terpulang kepada anda untuk berbuat demikian. Tetapi, satu cara atau yang lain, implikasinya adalah jelas: kesedaran dan mekanik kuantum entah bagaimana berhubung.

Bermula pada tahun 1980-an, ahli fizik Inggeris Roger Penrose mencadangkan bahawa sambungan ini mungkin berfungsi ke arah lain. Beliau berkata, sama ada kesedaran mempengaruhi mekanik kuantum atau tidak, kemungkinan mekanik kuantum terlibat dalam kesedaran.

Ahli fizik dan matematik Roger Penrose

Dan Penrose juga bertanya: bagaimana jika terdapat struktur molekul dalam otak kita yang boleh mengubah keadaan mereka sebagai tindak balas kepada satu peristiwa kuantum? Bolehkah struktur ini menganggap keadaan superposisi, seperti zarah dalam eksperimen celah berganda? Bolehkah superposisi kuantum ini kemudiannya menunjukkan diri mereka dalam cara neuron berkomunikasi melalui isyarat elektrik?

Mungkin, kata Penrose, keupayaan kita untuk mengekalkan keadaan mental yang kelihatan tidak serasi bukanlah satu keanehan persepsi, tetapi kesan kuantum sebenar?

Lagipun, otak manusia nampaknya mampu memproses proses kognitif yang masih jauh di luar kemampuan mesin pengkomputeran digital. Kita mungkin juga boleh melakukan tugas pengiraan yang tidak boleh dilakukan pada komputer konvensional menggunakan logik digital klasik.

Penrose pertama kali mencadangkan bahawa kesan kuantum hadir dalam kesedaran manusia dalam buku 1989 The Emperor's New Mind. Idea utamanya ialah "pengurangan objektif yang dirancang." Pengurangan objektif, menurut Penrose, bermakna bahawa keruntuhan gangguan kuantum dan superposisi adalah proses fizikal sebenar, seperti gelembung pecah.

Pengurangan objektif yang dirancang bergantung pada andaian Penrose bahawa graviti, yang mempengaruhi objek, kerusi atau planet harian, tidak menunjukkan kesan kuantum. Penrose percaya bahawa superposisi kuantum menjadi mustahil untuk objek yang lebih besar daripada atom kerana pengaruh graviti mereka kemudiannya akan mengakibatkan kewujudan dua versi ruang masa yang tidak serasi.

Penrose mengembangkan lagi idea ini dengan doktor Amerika Stuart Hameroff. Dalam bukunya Shadows of the Mind (1994), beliau mencadangkan bahawa struktur yang terlibat dalam kognisi kuantum ini mungkin filamen protein yang dipanggil microtubules. Mereka ditemui dalam kebanyakan sel kita, termasuk neuron di otak. Penrose dan Hameroff berhujah bahawa mikrotubul boleh menganggap keadaan superposisi kuantum semasa proses ayunan.

Tetapi tidak ada apa-apa untuk menyokong bahawa ini adalah mungkin.

Diandaikan bahawa idea superposisi kuantum dalam mikrotubulus akan disokong oleh eksperimen yang dicadangkan pada tahun 2013, tetapi sebenarnya kajian ini tidak menyebut kesan kuantum. Selain itu, kebanyakan penyelidik percaya bahawa idea pengurangan objektif yang dirancang telah disangkal oleh kajian yang diterbitkan pada tahun 2000. Ahli fizik Max Tegmark mengira bahawa superposisi kuantum molekul yang terlibat dalam isyarat saraf tidak dapat bertahan walaupun momen masa yang diperlukan untuk penghantaran isyarat.

Kesan kuantum, termasuk superposisi, sangat rapuh dan dimusnahkan oleh proses yang dipanggil dekoheren. Proses ini didorong oleh interaksi objek kuantum dengan persekitarannya, kerana "kuantumiti"nya bocor.

Dekoheren dianggap berlaku dengan cepat dalam persekitaran yang hangat dan lembap seperti sel hidup.

Isyarat saraf ialah impuls elektrik yang disebabkan oleh laluan atom bercas elektrik melalui dinding sel saraf. Jika salah satu daripada atom ini berada dalam superposisi dan kemudian berlanggar dengan neuron, Tegmark menunjukkan bahawa superposisi itu harus mereput dalam masa kurang daripada satu bilion daripada satu bilion saat. Ia mengambil masa sepuluh ribu trilion kali lebih lama untuk neuron menembak isyarat.

Inilah sebabnya mengapa idea tentang kesan kuantum dalam otak tidak lulus ujian skeptik.

Tetapi Penrose tanpa henti menegaskan hipotesis OER. Dan di sebalik ramalan Tegmark tentang dekoheren ultrafast dalam sel, saintis lain telah menemui manifestasi kesan kuantum dalam makhluk hidup. Ada yang berpendapat bahawa mekanik kuantum digunakan oleh burung yang berhijrah apabila mereka menggunakan navigasi magnetik, dan oleh tumbuhan hijau apabila mereka menggunakan cahaya matahari untuk menghasilkan gula melalui proses fotosintesis.

Walaupun begitu, idea bahawa otak boleh menggunakan helah kuantum enggan hilang untuk selamanya. Kerana mereka mendapati hujah lain yang memihak kepadanya.

Bolehkah fosforus mengekalkan keadaan kuantum?

Dalam kajian 2015, ahli fizik Matthew Fisher dari University of California, Santa Barbara berhujah bahawa otak mungkin mengandungi molekul yang boleh menahan superposisi kuantum yang lebih kuat. Khususnya, beliau percaya bahawa nukleus atom fosforus mungkin mempunyai keupayaan ini. Atom fosforus terdapat di mana-mana dalam sel hidup. Mereka sering mengambil bentuk ion fosfat, di mana satu atom fosforus bergabung dengan empat atom oksigen.

Ion tersebut adalah unit asas tenaga dalam sel. Kebanyakan tenaga sel disimpan dalam molekul ATP, yang mengandungi urutan tiga kumpulan fosfat yang dikaitkan dengan molekul organik. Apabila salah satu fosfat terputus, tenaga dibebaskan yang digunakan oleh sel.

Sel mempunyai mesin molekul untuk memasang ion fosfat ke dalam kumpulan dan memecahkannya. Fischer mencadangkan satu skim di mana dua ion fosfat boleh diletakkan dalam jenis superposisi tertentu: keadaan terjerat.

Nukleus fosforus mempunyai sifat kuantum - putaran - yang menjadikannya kelihatan seperti magnet kecil dengan kutub mengarah ke arah tertentu. Dalam keadaan terjerat, putaran satu nukleus fosforus bergantung pada yang lain. Dalam erti kata lain, keadaan terjerat ialah keadaan superposisi yang melibatkan lebih daripada satu zarah kuantum.

Fischer berkata tingkah laku mekanikal kuantum putaran nuklear ini mungkin menentang dekoheren. Dia bersetuju dengan Tegmark bahawa getaran kuantum yang dibincangkan oleh Penrose dan Hameroff akan sangat bergantung pada persekitaran mereka dan "menyahkoheren hampir serta-merta." Tetapi putaran nukleus tidak berinteraksi dengan begitu kuat dengan persekitaran mereka.

Namun tingkah laku kuantum putaran nukleus fosforus mesti "dilindungi" daripada dekoheren.

Zarah kuantum boleh mempunyai putaran yang berbeza

Ini boleh berlaku, kata Fischer, jika atom fosforus digabungkan ke dalam objek yang lebih besar yang dipanggil "molekul Posner." Mereka adalah kelompok enam ion fosfat yang digabungkan dengan sembilan ion kalsium. Terdapat beberapa petunjuk bahawa molekul sedemikian mungkin wujud dalam sel hidup, tetapi setakat ini ia tidak begitu meyakinkan.

Dalam molekul Posner, Fischer berpendapat, putaran fosforus boleh menahan dekoheren selama sehari atau lebih, walaupun dalam sel hidup. Oleh itu, mereka juga boleh menjejaskan fungsi otak.

Ideanya ialah molekul Posner boleh diambil oleh neuron. Sebaik sahaja di dalam, molekul akan mengaktifkan isyarat kepada neuron lain, memecahkan dan membebaskan ion kalsium. Kerana keterjeratan dalam molekul Posner, dua isyarat sedemikian boleh menjadi terjerat secara bergilir-gilir: dalam erti kata lain, ia akan menjadi superposisi kuantum "pemikiran." "Jika pemprosesan kuantum dengan putaran nuklear sebenarnya terdapat di dalam otak, ia akan menjadi fenomena yang sangat biasa yang berlaku sepanjang masa, " kata Fischer.

Idea pertama kali datang kepadanya apabila dia memikirkan tentang penyakit mental.

Kapsul litium karbonat

"Pengenalan saya kepada kimia otak bermula apabila saya memutuskan tiga atau empat tahun lalu untuk menyiasat bagaimana dan mengapa ion litium mempunyai kesan dramatik dalam rawatan gangguan mental," kata Fisher.

Ubat litium digunakan secara meluas untuk merawat gangguan bipolar. Mereka bekerja, tetapi tiada siapa yang benar-benar tahu mengapa.

"Saya tidak mencari penjelasan kuantum, " kata Fisher. Tetapi kemudian dia menemui kertas yang menerangkan bagaimana ubat litium mempunyai kesan yang berbeza terhadap tingkah laku tikus bergantung pada bentuk - atau "isotop" - litium yang digunakan.

Pada mulanya, ini membingungkan saintis. Dari sudut pandangan kimia, isotop berbeza berkelakuan dengan cara yang sama, jadi jika litium berfungsi seperti ubat biasa, isotop mesti mempunyai kesan yang sama.

Sel saraf disambungkan kepada sinaps

Tetapi Fischer menyedari bahawa nukleus isotop litium yang berbeza boleh mempunyai putaran yang berbeza. Sifat kuantum ini mungkin mempengaruhi cara ubat berasaskan litium berfungsi. Sebagai contoh, jika litium menggantikan kalsium dalam molekul Posner, putaran litium boleh memberi kesan pada atom fosforus dan mengelakkannya daripada terjerat.

Jika ini benar, ia boleh menjelaskan mengapa litium boleh merawat gangguan bipolar.

Buat masa ini, cadangan Fisher tidak lebih daripada idea yang menarik. Tetapi terdapat beberapa cara untuk menyemaknya. Sebagai contoh, putaran fosforus dalam molekul Posner boleh mengekalkan koheren kuantum untuk masa yang lama. Inilah yang Fisher merancang untuk menguji lebih lanjut.

Namun dia berhati-hati dikaitkan dengan idea-idea awal tentang "kesedaran kuantum," yang dia anggap spekulatif paling baik.

Kesedaran adalah misteri yang mendalam

Ahli fizik tidak begitu suka berada di dalam teori mereka sendiri. Ramai daripada mereka berharap bahawa kesedaran dan otak boleh diekstrak daripada teori kuantum, dan mungkin sebaliknya. Tetapi kita tidak tahu apa itu kesedaran, apatah lagi fakta bahawa kita tidak mempunyai teori yang menerangkannya.

Lebih-lebih lagi, kadang-kadang terdapat seruan kuat bahawa mekanik kuantum akan membolehkan kita menguasai telepati dan telekinesis (dan walaupun di suatu tempat di kedalaman konsep ini mungkin benar, orang ramai menganggap segala-galanya secara literal). Oleh itu, ahli fizik umumnya takut untuk menyebut perkataan "kuantum" dan "kesedaran" dalam ayat yang sama.

Pada 2016, Adrian Kent dari University of Cambridge di UK, salah seorang "ahli falsafah kuantum" yang paling dihormati, mencadangkan bahawa kesedaran boleh mengubah tingkah laku sistem kuantum dengan cara yang halus tetapi boleh dikesan. Kent sangat berhati-hati dalam kenyataannya. "Tidak ada sebab yang kukuh untuk mempercayai bahawa teori kuantum adalah teori yang sesuai untuk mendapatkan teori kesedaran, atau bahawa masalah teori kuantum sepatutnya mempunyai pertindihan dengan masalah kesedaran," akuinya.

Tetapi dia menambah bahawa adalah tidak dapat difahami sepenuhnya bagaimana seseorang boleh memperoleh penerangan kesedaran berdasarkan semata-mata pada fizik pra-kuantum, bagaimana untuk menerangkan semua sifat dan cirinya.

Kami tidak faham bagaimana pemikiran berfungsi

Satu persoalan yang sangat menarik ialah bagaimana minda sedar kita boleh mengalami sensasi unik seperti warna merah atau bau daging yang dimasak. Selain daripada orang cacat penglihatan, kita semua tahu apa yang dirasakan merah, tetapi kita tidak dapat menyampaikan perasaan itu, dan tiada apa-apa dalam fizik yang boleh memberitahu kita bagaimana rasanya.

Perasaan seperti ini dipanggil "qualia." Kami menganggapnya sebagai sifat bersatu dunia luar, tetapi pada hakikatnya ia adalah produk kesedaran kita - dan ini sukar untuk dijelaskan. Pada tahun 1995, ahli falsafah David Chalmers memanggil ini sebagai "masalah keras" kesedaran.

"Sebarang rantaian pemikiran tentang hubungan antara kesedaran dan fizik membawa kepada masalah yang serius, " kata Kent.

Ini menyebabkan beliau mencadangkan bahawa "kita mungkin membuat sedikit kemajuan dalam memahami masalah evolusi kesedaran jika kita menerima (walaupun hanya menganggap) bahawa kesedaran mengubah kebarangkalian kuantum."

Dengan kata lain, otak sebenarnya boleh mempengaruhi hasil pengukuran.

Dari sudut pandangan ini, ia tidak mentakrifkan "apa yang sebenar." Tetapi ia boleh mempengaruhi kemungkinan bahawa setiap kemungkinan realiti yang dikenakan oleh mekanik kuantum akan diperhatikan. Malah teori kuantum sendiri tidak dapat meramalkan ini. Dan Kent percaya bahawa kita boleh mencari manifestasi sedemikian secara eksperimen. Dia juga dengan berani menganggarkan peluang untuk mencari mereka.

“Saya akan meneka dengan keyakinan 15 peratus bahawa kesedaran menyebabkan penyelewengan daripada teori kuantum; dan 3 peratus lagi - bahawa kami akan mengesahkan ini secara eksperimen dalam 50 tahun akan datang, "katanya.

Jika ini berlaku, dunia tidak lagi sama. Dan atas sebab ini ia patut diterokai.

Anda mungkin pernah mendengarnya berkali-kali tentang misteri fizik kuantum dan mekanik kuantum yang tidak dapat dijelaskan. Undang-undangnya mempesona dengan mistik, malah ahli fizik sendiri mengakui bahawa mereka tidak memahaminya sepenuhnya. Di satu pihak, adalah menarik untuk memahami undang-undang ini, tetapi sebaliknya, tidak ada masa untuk membaca buku berbilang jilid dan kompleks mengenai fizik. Saya sangat memahami anda, kerana saya juga suka ilmu dan mencari kebenaran, tetapi tidak ada masa yang cukup untuk semua buku. Anda tidak bersendirian, ramai orang yang ingin tahu menaip dalam bar carian: “fizik kuantum untuk boneka, mekanik kuantum untuk boneka, fizik kuantum untuk pemula, mekanik kuantum untuk pemula, asas fizik kuantum, asas mekanik kuantum, fizik kuantum untuk kanak-kanak, apa itu mekanik kuantum"..

Penerbitan ini betul-betul untuk anda

Anda akan memahami konsep asas dan paradoks fizik kuantum. Dari artikel anda akan belajar:
Apakah fizik kuantum dan mekanik kuantum?
Apakah gangguan?
Apakah Quantum Entanglement (atau Quantum Teleportation for Dummies)? (lihat artikel)

Apakah eksperimen pemikiran Kucing Schrödinger? (lihat artikel)

Mengapa begitu sukar untuk memahami ilmu-ilmu ini? Jawapannya mudah: fizik kuantum dan mekanik kuantum (sebahagian daripada fizik kuantum) mengkaji undang-undang dunia mikro. Dan undang-undang ini sama sekali berbeza daripada undang-undang makrokosmos kita. Oleh itu, sukar untuk kita membayangkan apa yang berlaku kepada elektron dan foton dalam mikrokosmos.

Contoh perbezaan antara undang-undang dunia makro dan mikro: dalam dunia makro kami, jika anda meletakkan bola dalam satu daripada 2 kotak, maka satu daripadanya akan kosong, dan yang lain akan mempunyai bola. Tetapi dalam mikrokosmos (jika terdapat atom dan bukannya bola), atom boleh berada dalam dua kotak pada masa yang sama. Ini telah disahkan secara eksperimen berkali-kali. Tidakkah sukar untuk membungkus kepala anda di sekeliling ini? Tetapi anda tidak boleh berhujah dengan fakta.

Contoh lain. Anda mengambil gambar kereta sukan merah lumba pantas dan dalam foto itu anda melihat jalur mendatar yang kabur, seolah-olah kereta itu terletak di beberapa titik di angkasa pada masa foto itu. Walaupun apa yang anda lihat dalam foto, anda masih pasti bahawa kereta itu adalah di satu tempat tertentu di angkasa. Dalam dunia mikro, semuanya berbeza. Elektron yang berputar mengelilingi nukleus atom sebenarnya tidak berputar, tetapi terletak serentak di semua titik sfera mengelilingi nukleus atom. Seperti bola bulu gebu yang dilukai longgar. Konsep ini dalam fizik dipanggil "awan elektronik" .

Lawatan singkat ke dalam sejarah. Para saintis mula-mula berfikir tentang dunia kuantum apabila, pada tahun 1900, ahli fizik Jerman Max Planck cuba memikirkan mengapa logam berubah warna apabila dipanaskan. Dialah yang memperkenalkan konsep kuantum. Sehingga itu, saintis berpendapat bahawa cahaya bergerak secara berterusan. Orang pertama yang menganggap serius penemuan Planck ialah Albert Einstein yang tidak dikenali ketika itu. Dia sedar bahawa cahaya bukan sekadar gelombang. Kadang-kadang dia berperangai seperti zarah. Einstein menerima Hadiah Nobel untuk penemuannya bahawa cahaya dipancarkan dalam bahagian, quanta. Kuantum cahaya dipanggil foton ( foton, Wikipedia) .

Untuk memudahkan memahami hukum kuantum ahli fizik Dan mekanik (Wikipedia), kita mesti, dalam erti kata lain, abstrak daripada undang-undang fizik klasik yang biasa kepada kita. Dan bayangkan anda menyelam, seperti Alice, ke dalam lubang arnab, ke Wonderland.

Dan inilah kartun untuk kanak-kanak dan orang dewasa. Menerangkan eksperimen asas mekanik kuantum dengan 2 celah dan pemerhati. Bertahan 5 minit sahaja. Tonton sebelum kita menyelami soalan asas dan konsep fizik kuantum.

Fizik kuantum untuk video dummies. Dalam kartun, perhatikan "mata" pemerhati. Ia telah menjadi misteri yang serius bagi ahli fizik.

Apakah fizik kuantum dan mekanik kuantum?

Pada permulaan kartun, menggunakan contoh cecair, ia ditunjukkan bagaimana gelombang berkelakuan - jalur menegak gelap dan terang berselang-seli muncul pada skrin di belakang pinggan dengan celah. Dan dalam kes apabila zarah diskret (contohnya, kerikil) "ditembak" pada plat, ia terbang melalui 2 celah dan mendarat di skrin bertentangan dengan celah. Dan mereka "melukis" hanya 2 jalur menegak pada skrin.

Gangguan cahaya- Ini ialah gelagat "gelombang" cahaya, apabila skrin memaparkan banyak jalur menegak terang dan gelap berselang-seli. Juga jalur menegak ini dipanggil corak gangguan.

Dalam makrokosmos kita, kita sering memerhatikan bahawa cahaya berkelakuan seperti gelombang. Jika anda meletakkan tangan anda di hadapan lilin, maka di dinding tidak akan ada bayangan yang jelas dari tangan anda, tetapi dengan kontur kabur.

Jadi, ia tidak begitu rumit! Kini agak jelas kepada kita bahawa cahaya mempunyai sifat gelombang dan jika 2 celah diterangi dengan cahaya, maka pada skrin di belakangnya kita akan melihat corak gangguan.

Sekarang mari kita lihat eksperimen ke-2. Ini adalah percubaan Stern-Gerlach yang terkenal (yang dijalankan pada 20-an abad yang lalu).

Pemasangan yang diterangkan dalam kartun tidak bersinar dengan cahaya, tetapi "ditembak" dengan elektron (sebagai zarah individu). Kemudian, pada awal abad yang lalu, ahli fizik di seluruh dunia percaya bahawa elektron adalah zarah asas bahan dan tidak sepatutnya mempunyai sifat gelombang, tetapi sama seperti kerikil. Lagipun, elektron adalah zarah asas jirim, bukan? Iaitu, jika anda "membuang" mereka ke dalam 2 celah, seperti kerikil, maka pada skrin di belakang celah kita akan melihat 2 jalur menegak.

Tetapi... Hasilnya sungguh menakjubkan. Para saintis melihat corak gangguan - banyak jalur menegak. Iaitu, elektron, seperti cahaya, juga boleh mempunyai sifat gelombang dan boleh mengganggu. Sebaliknya, menjadi jelas bahawa cahaya bukan sahaja gelombang, tetapi juga sedikit zarah - foton (dari latar belakang sejarah pada permulaan artikel, kami mengetahui bahawa Einstein menerima Hadiah Nobel untuk penemuan ini) . Mungkin anda masih ingat, di sekolah kita diberitahu dalam fizik"dualiti gelombang-zarah" ? Ini bermakna apabila kita bercakap tentang zarah yang sangat kecil (atom, elektron) mikrokosmos, maka

Hari ini anda dan saya sangat bijak dan kami faham bahawa 2 eksperimen yang diterangkan di atas - menembak dengan elektron dan menerangi celah dengan cahaya - adalah perkara yang sama. Kerana kita menembak zarah kuantum di celah. Kini kita tahu bahawa kedua-dua cahaya dan elektron adalah bersifat kuantum, bahawa kedua-duanya adalah gelombang dan zarah pada masa yang sama. Dan pada awal abad ke-20, hasil eksperimen ini adalah sensasi.

Perhatian! Sekarang mari kita beralih kepada isu yang lebih halus.

Kami memancarkan aliran foton (elektron) ke celah kami dan melihat corak gangguan (jalur menegak) di belakang celah pada skrin. Ini jelas. Tetapi kami berminat untuk melihat bagaimana setiap elektron terbang melalui slot.

Mungkin, satu elektron terbang ke slot kiri, satu lagi ke kanan. Tetapi kemudian 2 jalur menegak sepatutnya muncul pada skrin bertentangan dengan slot. Mengapakah corak gangguan berlaku? Mungkin elektron entah bagaimana berinteraksi antara satu sama lain sudah ada di skrin selepas terbang melalui celah. Dan hasilnya adalah corak gelombang seperti ini. Bagaimanakah kita boleh menjejaki perkara ini?

Kami akan membuang elektron bukan dalam rasuk, tetapi satu demi satu. Kita buang, tunggu, kita baling yang seterusnya. Sekarang elektron itu terbang bersendirian, ia tidak lagi dapat berinteraksi dengan elektron lain pada skrin. Kami akan mendaftarkan setiap elektron pada skrin selepas lontaran. Satu atau dua, sudah tentu, tidak akan "melukis" gambaran yang jelas untuk kita. Tetapi apabila kita menghantar banyak daripada mereka ke dalam celah satu demi satu, kita akan perasan... oh seram - mereka sekali lagi "menarik" corak gelombang gangguan!

Kami perlahan-lahan mula menjadi gila. Lagipun, kami menjangkakan bahawa akan ada 2 jalur menegak bertentangan dengan slot! Ternyata apabila kita melemparkan foton satu demi satu, setiap daripada mereka melepasi, seolah-olah, melalui 2 celah pada masa yang sama dan mengganggu dirinya sendiri.

Hebat! Mari kita kembali menerangkan fenomena ini dalam bahagian seterusnya.

Apakah putaran dan superposisi?

Sekarang kita tahu apa itu gangguan. Ini ialah tingkah laku gelombang zarah mikro - foton, elektron, zarah mikro lain (untuk kesederhanaan, mari kita panggil mereka foton mulai sekarang).

Hasil daripada eksperimen, apabila kami melemparkan 1 foton ke dalam 2 celah, kami menyedari bahawa ia seolah-olah terbang melalui dua celah pada masa yang sama. Jika tidak, bagaimanakah kita boleh menerangkan corak gangguan pada skrin?

Tetapi bagaimana kita boleh membayangkan foton terbang melalui dua celah pada masa yang sama? Terdapat 2 pilihan. Pilihan pertama:
foton, seperti gelombang (seperti air) "terapung" melalui 2 celah pada masa yang sama pilihan ke-2:

Pada dasarnya, pernyataan ini adalah setara. Kami tiba di "path integral". Inilah rumusan mekanik kuantum Richard Feynman.

By the way, betul-betul Richard Feynman terdapat ungkapan yang terkenal bahawa Kami dengan yakin boleh mengatakan bahawa tiada siapa yang memahami mekanik kuantum

Tetapi ungkapan beliau ini bekerja pada awal abad ini. Tetapi sekarang kita bijak dan tahu bahawa foton boleh bertindak sebagai zarah dan sebagai gelombang. Bahawa dia boleh, dalam beberapa cara yang tidak dapat difahami oleh kita, terbang melalui 2 celah pada masa yang sama. Oleh itu, adalah mudah bagi kita untuk memahami pernyataan penting mekanik kuantum berikut:

Tegasnya, mekanik kuantum memberitahu kita bahawa tingkah laku foton ini adalah peraturan, bukan pengecualian. Mana-mana zarah kuantum, sebagai peraturan, berada dalam beberapa keadaan atau pada beberapa titik dalam ruang secara serentak.

Objek dunia makro hanya boleh berada di satu tempat tertentu dan dalam satu keadaan tertentu. Tetapi zarah kuantum wujud mengikut undang-undangnya sendiri. Dan dia tidak peduli bahawa kita tidak memahami mereka. Itulah maksudnya.

Kita hanya perlu mengakui, sebagai aksiom, bahawa "superposisi" objek kuantum bermakna ia boleh berada pada 2 atau lebih trajektori pada masa yang sama, dalam 2 atau lebih titik pada masa yang sama

Perkara yang sama berlaku untuk parameter foton lain - putaran (momentum sudutnya sendiri). Spin ialah vektor. Objek kuantum boleh dianggap sebagai magnet mikroskopik. Kami terbiasa dengan fakta bahawa vektor magnet (putaran) sama ada diarahkan ke atas atau ke bawah. Tetapi elektron atau foton sekali lagi memberitahu kami: “Kawan-kawan, kami tidak kisah apa yang biasa anda lakukan, kami boleh berada dalam kedua-dua keadaan putaran sekaligus (vektor ke atas, vektor ke bawah), sama seperti kami boleh berada di 2 trajektori pada pada masa yang sama atau pada 2 mata pada masa yang sama!

Apakah "pengukuran" atau "keruntuhan fungsi gelombang"?

Hanya tinggal sedikit untuk kita memahami apa itu "pengukuran" dan apa itu "fungsi gelombang runtuh".

Fungsi gelombang ialah perihalan keadaan objek kuantum (foton atau elektron kita).

Katakan kita mempunyai elektron, ia terbang ke dirinya sendiri dalam keadaan tidak tentu, putarannya diarahkan ke atas dan ke bawah pada masa yang sama. Kita perlu mengukur keadaannya.

Mari kita ukur menggunakan medan magnet: elektron yang putarannya diarahkan ke arah medan akan menyimpang ke satu arah, dan elektron yang putarannya diarahkan ke medan - ke arah yang lain. Lebih banyak foton boleh diarahkan ke dalam penapis polarisasi. Jika putaran (polarisasi) foton ialah +1, ia melalui penapis, tetapi jika ia adalah -1, maka ia tidak.

Berhenti! Di sini anda pasti akan mempunyai soalan: Sebelum pengukuran, elektron tidak mempunyai arah putaran tertentu, bukan? Dia berada di semua negeri pada masa yang sama, bukan?

Inilah muslihat dan sensasi mekanik kuantum. Selagi anda tidak mengukur keadaan objek kuantum, ia boleh berputar ke mana-mana arah (mempunyai sebarang arah vektor momentum sudutnya sendiri - putaran). Tetapi pada masa ini apabila anda mengukur keadaannya, dia nampaknya membuat keputusan yang harus diterima oleh vektor putaran.

Objek kuantum ini sangat keren - ia membuat keputusan tentang keadaannya. Dan kita tidak boleh meramalkan terlebih dahulu keputusan yang akan dibuat apabila ia terbang ke medan magnet di mana kita mengukurnya. Kebarangkalian bahawa dia akan memutuskan untuk mempunyai vektor putaran "atas" atau "bawah" ialah 50 hingga 50%. Tetapi sebaik sahaja dia membuat keputusan, dia berada dalam keadaan tertentu dengan arah putaran tertentu. Sebab keputusannya adalah "dimensi" kami!

Ini dipanggil " keruntuhan fungsi gelombang". Fungsi gelombang sebelum pengukuran adalah tidak pasti, i.e. vektor putaran elektron pada masa yang sama dalam semua arah selepas pengukuran, elektron merekodkan arah tertentu vektor putarannya.

Perhatian! Contoh yang sangat baik untuk pemahaman ialah persatuan dari makrokosmos kita:

Putar syiling di atas meja seperti gasing berputar. Walaupun syiling berputar, ia tidak mempunyai makna khusus - kepala atau ekor. Tetapi sebaik sahaja anda memutuskan untuk "mengukur" nilai ini dan membanting syiling dengan tangan anda, pada masa itulah anda mendapat keadaan khusus syiling - kepala atau ekor. Sekarang bayangkan bahawa duit syiling ini menentukan nilai yang akan "ditunjukkan" kepada anda - kepala atau ekor. Elektron berkelakuan dengan cara yang lebih kurang sama.

Sekarang ingat eksperimen yang ditunjukkan pada penghujung kartun. Apabila foton dilalui melalui celah, mereka berkelakuan seperti gelombang dan menunjukkan corak gangguan pada skrin. Dan apabila saintis ingin merakam (mengukur) momen foton terbang melalui celah dan meletakkan "pemerhati" di belakang skrin, foton mula berkelakuan bukan seperti gelombang, tetapi seperti zarah. Dan mereka "melukis" 2 jalur menegak pada skrin. Itu. pada saat pengukuran atau pemerhatian, objek kuantum sendiri memilih keadaan yang sepatutnya mereka berada.

Hebat! betul tak?

Tetapi bukan itu sahaja. Akhirnya kita Kami sampai ke bahagian yang paling menarik.

Tetapi... nampaknya saya akan ada lebihan maklumat, jadi kami akan mempertimbangkan 2 konsep ini dalam siaran berasingan:

Apa dah jadi?
Apakah eksperimen pemikiran.

Sekarang, adakah anda mahu maklumat itu diselesaikan? Tonton dokumentari yang dihasilkan oleh Canadian Institute of Theoretical Physics. Di dalamnya, dalam 20 minit, anda akan diberitahu secara ringkas dan mengikut urutan kronologi tentang semua penemuan fizik kuantum, bermula dengan penemuan Planck pada tahun 1900. Dan kemudian mereka akan memberitahu anda perkembangan praktikal yang sedang dijalankan berdasarkan pengetahuan dalam fizik kuantum: daripada jam atom yang paling tepat kepada pengiraan komputer kuantum yang sangat pantas. Saya sangat mengesyorkan menonton filem ini.

jumpa lagi!

Saya berharap semua orang inspirasi untuk semua rancangan dan projek mereka!

P.S.2 Tulis soalan dan fikiran anda dalam komen. Tulis, apakah soalan lain tentang fizik kuantum yang anda minati?

P.S.3 Langgan blog - borang langganan berada di bawah artikel.