I kvantefysikk bør man si det. Det er en merkelig sammenheng mellom menneskelig bevissthet og kvantefysikk

Et nytt eksperiment kan kaste lys over den overraskende skjulte mekanikken til kvantesuperposisjoner.

Superposisjon- konseptet om at bittesmå objekter kan eksistere flere steder eller tilstander samtidig - er hjørnesteinen i kvantefysikken. Et nytt eksperiment prøver å kaste lys over dette mystiske fenomenet.

Hovedspørsmålet i kvantemekanikk, som ingen vet svaret på: hva skjer egentlig i en superposisjon - en slags tilstand der partikler er på to eller flere steder eller tilstander samtidig? En gruppe forskere fra Israel og Japan har foreslått et eksperiment som endelig vil tillate oss å vite noe presist om naturen til dette mystiske fenomenet.

Eksperimentet deres, som forskerne sier kan gjøres i løpet av måneder, skulle tillate forskerne å forstå hvor et objekt - i det konkrete tilfellet, en lyspartikkel kalt et foton - faktisk befinner seg når det er i superposisjon. Og forskerne spår at svaret vil være enda merkeligere og mer sjokkerende enn «to steder på en gang».

Et klassisk eksempel på superposisjon innebærer å skyte fotoner gjennom to parallelle spalter i en barriere. Et av de grunnleggende aspektene ved kvantemekanikk er at bittesmå partikler kan oppføre seg som bølger, slik at de som passerer gjennom en spalte "forstyrrer" de som passerer gjennom en annen, deres bølgende krusninger, forstørrer eller endrer hverandre, og skaper en karakteristisk struktur på detektoren. skjerm. Det merkelige er imidlertid at denne interferensen oppstår selv om det bare skytes én partikkel om gangen. Partikkelen ser ut til å passere gjennom begge spaltene samtidig. Dette er superposisjonen.

Og dette er veldig merkelig: Å måle hvilken spalte en partikkel går gjennom, indikerer alltid at den passerer gjennom bare én spalte, og i dette tilfellet forsvinner bølgeinterferens ("kvante", hvis du vil). Selve målingen ser ut til å "ødelegge" superposisjonen. " Vi vet at noe rart skjer i superposisjon sier fysiker Avshalom Elitzer fra Israel Institute for Advanced Study. «Men du kan ikke måle det. Det er dette som gjør kvantemekanikken så mystisk."

I flere tiår har forskere stanset i denne tilsynelatende blindveien. De kan ikke si nøyaktig hva en superposisjon er uten å observere den; men hvis de prøver å se på det, vil det forsvinne. En mulig løsning, utviklet av Elitzurs tidligere mentor, den israelske fysikeren Yakir Aaharonov ved Chapman University og hans samarbeidspartnere, foreslår en måte å lære noe om kvantepartikler før måling. Den aharonske tilnærmingen kalles kvantemekanikkens to-statsformalisme (TSVF), og postulatene til kvantehendelser er på en måte bestemt av kvantetilstander ikke bare i fortiden, men også i fremtiden. Det vil si at TSVF antar at kvantemekanikk fungerer på samme måte både fremover og bakover i tid. Fra dette synspunktet ser det ut til at årsaker kan forplante seg bakover i tid, og dukker opp etter virkninger.

Men dette merkelige konseptet skal ikke tas bokstavelig. Mest sannsynlig kan man i TSVF få retrospektiv kunnskap om hva som skjedde i et kvantesystem: i stedet for bare å måle hvor partikkelen slutter, velger forskeren et bestemt sted å lete. Dette kalles ettervalg, og det gir mer informasjon enn noe ubetinget syn på resultatene. Dette skyldes at partikkelens tilstand til enhver tid vurderes retrospektivt i lys av hele dens historie frem til målingen, inkludert målingen. Det viser seg at forskeren – ganske enkelt ved å velge et spesifikt resultat for søket – så kommer til at resultatet bør inntreffe. Det er litt som om du slår på TV-en i det øyeblikket favorittprogrammet ditt skal sendes, men selve handlingen din fører til at programmet sendes akkurat i det øyeblikket. "Det er generelt akseptert at TSVF er matematisk ekvivalent med standard kvantemekanikk," sier David Wallace, en vitenskapsfilosof ved University of Southern California som spesialiserer seg på tolkning av kvantemekanikk. "Men det fører til at noen ting ikke blir sett annerledes."

Ta for eksempel en variant av to-sekunders eksperimentet utviklet av Aharonov og samarbeidspartner Lev Vaidman i 2003, som de tolket ved hjelp av TSVF. Paret beskrev (men bygde ikke) et optisk system der ett foton fungerer som en "lukker" som lukker spalten, noe som får et annet "sonderende" foton til å nærme seg spalten for å bli reflektert slik det så ut. Etter å ha målt testfotonet, som vist av Akharonov og Vaidman, kan man legge merke til et fotografi av lukkeren i en superposisjon som samtidig lukker (eller til og med vilkårlig mange) spalter samtidig. Med andre ord vil dette tankeeksperimentet i teorien gjøre det trygt å si at portfotonet er både "her" og "der" på samme tid. Selv om denne situasjonen virker paradoksal fra vår daglige erfaring, er den et godt studert aspekt ved de såkalte "ikke-lokale" egenskapene til kvantepartikler, der hele forestillingen om en veldefinert posisjon i rommet oppløses.

I 2016 bekreftet fysikerne Ryo Okamoto og Shigeki Takeuchi fra Kyoto University eksperimentelt spådommene til Aharonov og Weidman ved å bruke en lysstyrt krets der lukkerfotografering lages ved hjelp av en kvanteruter, en enhet som lar ett foton kontrollere ruten til et annet. "Dette var et banebrytende eksperiment som tillot oss å etablere den samtidige posisjonen til en partikkel på to steder," sier Elitzurs kollega Eliahu Cohen ved University of Ottawa i Ontario.

Nå har Elitzur og Koen slått seg sammen med Okamoto og Takeuchi for å komme opp med et enda mer oppsiktsvekkende eksperiment. De mener at dette vil gjøre det mulig for forskere å vite mer med sikkerhet om plasseringen av en partikkel i en superposisjon på en rekke forskjellige tidspunkter før noen faktiske målinger blir gjort.

Denne gangen vil banen til sondefotonet deles inn i tre deler av speil. Langs hver av disse banene kan den samhandle med portfotonet i superposisjon. Disse interaksjonene kan tenkes å være utført i bokser merket A, B og C, hver plassert langs hver av de tre mulige fotonbanene. Ved å vurdere selvinterferensen til sondefotonet, vil det være mulig i ettertid å konkludere med sikkerhet at portpartikkelen var i en gitt boks på et bestemt tidspunkt.

Eksperimentet er utformet på en slik måte at sondefotonet bare kan vise interferens i tilfelle interaksjon med portfotonet i en bestemt rekkefølge av steder og tider: nemlig hvis portfotonet var i både blokk A og C på et tidspunkt (t1), så på et senere tidspunkt (t2) - bare ved C, og enda senere (t3) - både ved B og ved C. Interferens i sonderingsfotonet vil derfor være den siste indikasjonen på at portfotonet faktisk passerer gjennom denne merkelige sekvensen av forskjellige fenomener blant boksene til forskjellige tider er ideen til Elitzur, Cohen og Aharonov, som foreslo i fjor at en partikkel passerer gjennom tre bokser samtidig. "Jeg elsker hvordan denne artikkelen stiller spørsmål om hva som skjer når det gjelder hele historier, ikke øyeblikkelige tilstander," sier fysiker Ken Wharton fra San Jose State University, som ikke er involvert i det nye prosjektet. "Å snakke om "stater" er en gammel gjennomgripende skjevhet, mens hele historier har en tendens til å være mye rikere og mer interessante."

Det er nettopp dette Elitzur hevder det nye TSVF-eksperimentet gir tilgang til. Den tilsynelatende forsvinningen av partikler på ett sted om gangen - og deres dukke opp igjen andre steder og tider - antyder en ny og uvanlig visjon av de underliggende prosessene knyttet til den ikke-lokale eksistensen av kvantepartikler. Takket være TSVF-linsen, sier Elitzur, kan denne skimrende, stadig skiftende tilværelsen forstås som en serie hendelser der tilstedeværelsen av en partikkel på ett sted på en eller annen måte "kanselleres" av sin egen "motsatte side" på samme sted . Han sammenligner dette med et konsept introdusert av den britiske fysikeren Paul Dirac på 1920-tallet, som hevdet at partikler har antipartikler, og hvis de settes sammen, kan partikkel og antipartikkel utslette hverandre. Dette bildet så først ut til å være bare en talemåte, men førte snart til oppdagelsen av antimaterie. Forsvinningen av kvantepartikler er ikke "utslettelse" i samme forstand, men det er noe likt - disse antatte motsatte partiklene, mener Elitzur, burde ha negativ energi og negativ masse, slik at de kan avbryte sine motparter.

Så mens den tradisjonelle "to steder samtidig" superposisjonen kan virke ganske rar, "kanskje superposisjonen er en samling stater som er enda galere," sier Elitzur. "Kvantemekanikk forteller deg bare om deres gjennomsnittlige tilstand." Det påfølgende valget lar deg isolere og teste bare noen av disse tilstandene med høyere oppløsning, foreslår han. En slik tolkning av kvanteatferd ville med hans ord være "revolusjonær" fordi den ville innebære et hittil uakseptabelt menasjeri av virkelige (men veldig merkelige) tilstander som ligger til grunn for motstridende kvantefenomener.

Forskerne sier at det å gjøre selve eksperimentet vil kreve finjustering av ytelsen til kvanteruterne deres, men de håper å ha systemet klart for det om tre til fem måneder. Mens noen observatører forventer det med tilbakeholdt pust. "Eksperimentet burde fungere," sier Wharton, "men det vil ikke overbevise noen fordi resultatene er forutsagt av standard kvantemekanikk." Det er med andre ord ingen god grunn til å tolke resultatet i form av TSVF.

Elitzur er enig i at eksperimentet deres kunne ha blitt unnfanget ved å bruke det konvensjonelle synet på kvantemekanikk som regjerte for flere tiår siden, men det skjedde aldri. " Er ikke det en god indikasjon på påliteligheten til TSVF? han spør. Og hvis noen tror de kan formulere et annet bilde av "hva som egentlig skjer" i dette eksperimentet, ved å bruke standard kvantemekanikk, legger han til: " Ok, la dem prøve!»

Vi tenker vanligvis på kvantefysikk som å beskrive oppførselen til subatomære partikler, ikke oppførselen til mennesker. Men ideen er ikke så langsøkt, sier Wong. Hun understreker også at forskningsprogrammet hennes ikke tyder på at hjernen vår bokstavelig talt er kvantedatamaskiner. Wong og kolleger fokuserer ikke på de fysiske aspektene av hjernen, men heller på hvordan de abstrakte matematiske prinsippene for kvanteteori kan hjelpe til med å forstå menneskelig bevissthet og atferd.

«I både samfunns- og atferdsvitenskap bruker vi ofte sannsynlighetsmodeller. For eksempel stiller vi spørsmålet, hva er sannsynligheten for at en person vil handle på en bestemt måte eller ta en bestemt avgjørelse? Tradisjonelt er disse modellene alle basert på klassisk sannsynlighetsteori – som stammer fra den klassiske fysikken til newtonske systemer. Hva er eksotisk med hva samfunnsvitere vil mene om kvantesystemer og deres matematiske prinsipper?

Omhandler tvetydighet i den fysiske verden. Tilstanden til en bestemt partikkel, dens energi, dens posisjon er alle usikre og må beregnes i form av sannsynligheter. Kvanteerkjennelse blir født når man arbeider med psykisk tvetydighet. Noen ganger er vi usikre på følelsene våre, føler oss tvetydige om et alternativ, eller blir tvunget til å ta avgjørelser basert på begrenset informasjon.

«Hjernen vår kan ikke lagre alt. Vi har ikke alltid en klar ide om hva som skjer. Men hvis du stiller meg et spørsmål som "hva vil du ha til middag?", vil jeg tenke og komme med et konstruktivt og klart svar, sier Wong. "Dette er kvantekunnskap."

"Jeg tror at den matematiske formalismen gitt av kvanteteori er i samsvar med det vi intuitivt føler som psykologer. Kvanteteori er kanskje ikke intuitiv i det hele tatt når den brukes til å beskrive oppførselen til en partikkel, men den er ganske intuitiv når den beskriver vår typiske vage og tvetydige tenkning."

Hun bruker eksemplet med Schrödingers katt, der katten inne i boksen er både levende og død med en viss sannsynlighet. Begge alternativene er potensielle i våre sinn. Det vil si at katten har potensial til å være både død og levende på samme tid. Denne effekten kalles kvantesuperposisjon. Når vi åpner boksen eksisterer ikke begge mulighetene lenger, og katten må være levende eller død.

Med kvantebevissthet er hver avgjørelse vi tar vår egen unike Schrödinger-katt.

Når vi sorterer gjennom alternativene, ser vi gjennom dem med vårt indre øye. I noen tid eksisterer alle alternativer side om side med ulik grad av potensial: som en superposisjon. Så, når vi velger ett alternativ, slutter resten å eksistere for oss.

Det er vanskelig å modellere denne prosessen matematisk, delvis fordi hver mulighet legger vekt på ligningen. Hvis en person under et valg blir bedt om å velge blant tjue kandidater på stemmeseddelen, blir valgproblemet tydelig (hvis personen ser navnene deres for første gang). Åpne spørsmål som "hvordan har du det?" etterlater enda flere alternativer.

Med en klassisk tilnærming til psykologi gir svarene kanskje ikke mening i det hele tatt, så forskere må bygge nye matematiske aksiomer for å forklare oppførselen i hvert enkelt tilfelle. Resultatet: mange klassiske psykologiske modeller har dukket opp, noen av dem er i konflikt med hverandre, og ingen av dem er anvendelige i enhver situasjon.

Med en kvantetilnærming, som Wong og hennes kolleger påpeker, kan mange komplekse og komplekse aspekter ved atferd forklares med ett begrenset sett med aksiomer. Den samme kvantemodellen som forklarer hvorfor rekkefølgen av spørsmål påvirker svarene til intervjuede personer, forklarer også bruddene på rasjonalitet i Fangens Dilemma-paradigmet, effekten av at folk jobber sammen selv når det ikke er i deres beste interesse å gjøre det.

"Fangens dilemma og spørsmålsrekkefølge er to svært forskjellige effekter i klassisk psykologi, men de kan begge forklares av den samme kvantemodellen," sier Wong. – Med dens hjelp kan mange andre, urelaterte og mystiske funn innen psykologi forklares. Og det er elegant."

29.10.2016

Til tross for klangen og mystikken til dagens emne, vil vi prøve å fortelle hva studerer kvantefysikk i enkle ord, hvilke deler av kvantefysikken har et sted å være og hvorfor kvantefysikk er nødvendig i prinsippet.

Materialet som tilbys nedenfor er tilgjengelig for alle for forståelse.

Før du tråkker om hvilke kvantefysikkstudier, ville det være på sin plass å huske hvordan det hele begynte ...

Ved midten av 1800-tallet hadde menneskeheten tatt tak i studiet av problemer som ikke kunne løses ved å bruke apparatet til klassisk fysikk.

En rekke fenomener virket «rare». Noen spørsmål ble ikke besvart i det hele tatt.

På 1850-tallet foreslår William Hamilton, som mente at klassisk mekanikk ikke er i stand til å nøyaktig beskrive bevegelsen av lysstråler, sin egen teori, som kom inn i vitenskapshistorien under navnet Hamilton-Jacobi-formalismen, som var basert på postulatet. av bølgeteorien om lys.

I 1885, etter å ha kranglet med en venn, utledet den sveitsiske fysikeren Johann Balmer empirisk en formel som gjorde det mulig å beregne bølgelengdene til spektrallinjer med svært høy nøyaktighet.

På det tidspunktet kunne ikke Balmer forklare årsakene til de avslørte mønstrene.

I 1895 oppdaget Wilhelm Roentgen, mens han undersøkte katodestråler, stråling, som han kalte røntgenstråler (senere omdøpt til stråler), som var preget av en kraftig penetrerende karakter.

Et år senere, i 1896, oppdaget Henri Becquerel, som studerte uransalter, spontan stråling med lignende egenskaper. Det nye fenomenet ble kalt radioaktivitet.

I 1899 ble bølgenaturen til røntgenstråler bevist.

Foto 1. Grunnleggerne av kvantefysikk Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr

Året 1901 ble preget av utseendet til den første planetariske modellen av atomet, foreslått av Jean Perrin. Dessverre forlot forskeren selv denne teorien, og fant ikke bekreftelse på den fra synspunktet til teorien om elektrodynamikk.

To år senere foreslo en vitenskapsmann fra Japan, Hantaro Nagaoka, en annen planetarisk modell av atomet, i sentrum som det skulle ha vært en positivt ladet partikkel, som elektroner ville gå i bane rundt.

Denne teorien tok imidlertid ikke hensyn til strålingen som sendes ut av elektroner, og kunne derfor for eksempel ikke forklare teorien om spektrallinjer.

Ved å reflektere over strukturen til atomet, var Joseph Thomson i 1904 den første som tolket begrepet valens fra et fysisk synspunkt.

Fødselsåret for kvantefysikk kan kanskje gjenkjennes som 1900, og forbinder med det talen til Max Planck på et møte i den tyske fysikken.

Det var Planck som foreslo en teori som forente mange hittil forskjellige fysiske konsepter, formler og teorier, inkludert Boltzmann-konstanten, som forbinder energi og temperatur, Avogadros tall, Wiens forskyvningslov, elektronladning, Boltzmanns lov om stråling ...

Han introduserte også begrepet handlingskvantum (den andre - etter Boltzmann-konstanten - den grunnleggende konstanten).

Den videre utviklingen av kvantefysikk er direkte forbundet med navnene på 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 og mange andre bemerkelsesverdige forskere, opprettet i første halvdel av det 20. århundre.

Forskere klarte å forstå naturen til elementærpartikler med enestående dybde, studere samspillet mellom partikler og felt, avsløre kvarknaturen til materie, utlede bølgefunksjonen og forklare de grunnleggende begrepene diskretitet (kvantisering) og bølge-partikkel-dualitet.

Kvanteteori, som ingen annen, brakte menneskeheten nærmere å forstå universets grunnleggende lover, erstattet de vanlige konseptene med mer nøyaktige, tvunget til å revurdere et stort antall fysiske modeller.

Hva studerer kvantefysikk?

Kvantefysikk beskriver egenskapene til materie på nivå med mikrofenomener, og utforsker bevegelseslovene til mikroobjekter (kvanteobjekter).

Emnet kvantefysikk er kvanteobjekter med dimensjoner på 10 −8 cm eller mindre. Den:

• molekyler,
• atomer,
• atomkjerner,
• elementærpartikler.

Hovedkarakteristikkene til mikroobjekter er hvilemasse og elektrisk ladning. Massen til ett elektron (me) er 9,1 10 −28 g.

Til sammenligning er massen til en myon 207 me, et nøytron er 1839 me, og et proton er 1836 me.

Noen partikler har ingen hvilemasse i det hele tatt (nøytrino, foton). Massen deres er 0 meg.

Den elektriske ladningen til ethvert mikroobjekt er et multiplum av elektronladningen lik 1,6 · 10 −19 C. Sammen med de ladede er det nøytrale mikroobjekter, hvis ladning er lik null.

Foto 2. Kvantefysikk tvunget til å revurdere de tradisjonelle synene på begrepene bølger, felt og partikler

Den elektriske ladningen til et komplekst mikroobjekt er lik den algebraiske summen av ladningene til dets bestanddeler.

Blant egenskapene til mikroobjekter er snurre rundt(bokstavelig talt oversatt fra engelsk - "å rotere").

Det er vanlig å tolke det som vinkelmomentet til et kvanteobjekt som ikke er avhengig av ytre forhold.

Baksiden er vanskelig å finne et adekvat bilde i den virkelige verden. Den kan ikke representeres som en snurrevad på grunn av dens kvantenatur. Klassisk fysikk kan ikke beskrive dette objektet.

Tilstedeværelsen av spinn påvirker oppførselen til mikroobjekter.

Tilstedeværelsen av et spinn introduserer betydelige trekk i oppførselen til objekter i mikrokosmos, hvorav de fleste - ustabile objekter - spontant forfaller og blir til andre kvanteobjekter.

Stabile mikroobjekter, som inkluderer nøytrinoer, elektroner, fotoner, protoner, samt atomer og molekyler, kan bare forfalle under påvirkning av kraftig energi.

Kvantefysikk absorberer klassisk fysikk fullstendig, og vurderer det som dets begrensende tilfelle.

Faktisk er kvantefysikk – i vid forstand – moderne fysikk.

Det kvantefysikken beskriver i mikrokosmos kan ikke oppfattes. På grunn av dette er mange kvantefysikkbestemmelser vanskelige å forestille seg, i motsetning til objektene beskrevet av klassisk fysikk.

Til tross for dette har nye teorier gjort det mulig å endre våre ideer om bølger og partikler, om dynamisk og sannsynlighetsbeskrivelse, om kontinuerlig og diskret.

Kvantefysikk er ikke bare en nymotens teori.

Dette er en teori som har klart å forutsi og forklare utrolig mange fenomener – fra prosesser som skjer i atomkjerner til makroskopiske effekter i verdensrommet.

Kvantefysikk, i motsetning til klassisk fysikk, studerer materie på et grunnleggende nivå, og gir tolkninger til fenomenene i den omgivende virkeligheten som tradisjonell fysikk ikke er i stand til å gi (for eksempel hvorfor atomer forblir stabile eller om elementærpartikler virkelig er elementære).

Kvanteteori gir oss muligheten til å beskrive verden mer nøyaktig enn det som ble akseptert før dens begynnelse.

Kvantefysikkens betydning

Den teoretiske utviklingen som utgjør essensen av kvantefysikk er anvendelig for studiet av både ufattelig store romobjekter og ekstremt små elementærpartikler.

kvanteelektrodynamikk fordyper oss i en verden av fotoner og elektroner, med fokus på studiet av interaksjoner mellom dem.

Kvanteteori om kondensert materie utdyper vår kunnskap om superfluider, magneter, flytende krystaller, amorfe legemer, krystaller og polymerer.

Foto 3. Kvantefysikk har gitt menneskeheten en mye mer nøyaktig beskrivelse av verden rundt oss

Vitenskapelig forskning de siste tiårene har fokusert på studiet av kvarkstrukturen til elementærpartikler innenfor rammen av en uavhengig gren av kvantefysikk - kvantekromodynamikk.

Ikke-relativistisk kvantemekanikk(den som er utenfor rekkevidden av Einsteins relativitetsteori) studerer mikroskopiske objekter som beveger seg med relativt lav hastighet (mindre enn), egenskapene til molekyler og atomer, deres struktur.

kvanteoptikk engasjert i den vitenskapelige studien av fakta knyttet til manifestasjonen av lysets kvanteegenskaper (fotokjemiske prosesser, termisk og stimulert stråling, fotoelektrisk effekt).

kvantefeltteori er en samlende del som inkorporerer ideene til relativitetsteorien og kvantemekanikken.

Vitenskapelige teorier utviklet innenfor rammen av kvantefysikk har gitt en kraftig drivkraft til utviklingen av kvanteelektronikk, teknologi, kvanteteori om faste stoffer, materialvitenskap og kvantekjemi.

Uten fremveksten og utviklingen av de kjente kunnskapsgrenene, ville det være umulig å lage romfartøy, atomisbrytere, mobilkommunikasjon og mange andre nyttige oppfinnelser.

Ingen forstår hva bevissthet er og hvordan det fungerer. Ingen forstår kvantemekanikk heller. Kan dette være mer enn bare en tilfeldighet? "Jeg kan ikke identifisere det virkelige problemet, så jeg mistenker at det ikke er et reelt problem, men jeg er ikke sikker på at det ikke er noe reelt problem." Den amerikanske fysikeren Richard Feynman sa dette om kvantemekanikkens forvirrende paradokser. I dag bruker fysikere denne teorien til å beskrive de minste objektene i universet. Men han kunne si det samme om det intrikate bevissthetsproblemet.

Noen forskere tror at vi allerede forstår bevissthet eller at det bare er en illusjon. Men for mange andre ser det ut til at vi ikke en gang har kommet i nærheten av essensen av bevissthet i det hele tatt.

Den flerårige gåten kalt "bevissthet" har til og med fått noen forskere til å prøve å forklare den med kvantefysikk. Men deres flid ble møtt med en god del skepsis, og dette er ikke overraskende: det virker urimelig å forklare en gåte ved hjelp av en annen.

Men slike ideer er aldri absurde og kom ikke engang fra taket.

På den ene siden, til fysikeres store misnøye, nekter sinnet i utgangspunktet å forstå tidlig kvanteteori. Dessuten er kvantedatamaskiner spådd å være i stand til ting som vanlige datamaskiner ikke kan. Det minner oss om at hjernen vår fortsatt er i stand til bragder utenfor rekkevidden av kunstig intelligens. "Kvantebevissthet" blir mye hånet som mystisk tull, men ingen har klart å fordrive det definitivt.

Kvantemekanikk er den beste teorien vi har som kan beskrive verden på nivå med atomer og subatomære partikler. Det kanskje mest kjente av mysteriene hennes er det faktum at utfallet av et kvanteeksperiment kan endre seg avhengig av om vi velger å måle egenskapene til partiklene som er involvert eller ikke.

Da pionerene innen kvanteteori først oppdaget denne «observatøreffekten», ble de for alvor skremt. Det så ut til å undergrave antagelsen i hjertet av all vitenskap: at et sted der ute eksisterer en objektiv verden uavhengig av oss. Hvis verden virkelig oppfører seg avhengig av hvordan - eller om - vi ser på den, hva ville "virkeligheten" egentlig bety?

Noen forskere har blitt tvunget til å konkludere med at objektivitet er en illusjon og at bevissthet må spille en aktiv rolle i kvanteteorien. Andre så rett og slett ikke noen sunn fornuft i det. For eksempel ble Albert Einstein irritert: eksisterer månen bare når du ser på den?

I dag mistenker noen fysikere at poenget ikke er at bevissthet påvirker kvantemekanikken ... men at den i det hele tatt dukket opp, takket være den. De tror vi kan trenge kvanteteori for å forstå hvordan hjernen i det hele tatt fungerer. Kan det være slik at akkurat som kvanteobjekter kan være på to steder samtidig, kan en kvantehjerne ha to gjensidig utelukkende ting i tankene samtidig?

Disse ideene er kontroversielle. Det kan vise seg at kvantefysikk ikke har noe med bevissthetsarbeidet å gjøre. Men de demonstrerer i det minste at merkelig kvanteteori får oss til å tenke på rare ting.

Den beste måten for kvantemekanikk å trenge inn i menneskelig bevissthet er gjennom dobbeltspalteeksperimentet. Se for deg en lysstråle som treffer en skjerm med to parallelle spalter med tett avstand. En del av lyset passerer gjennom spaltene og faller på en annen skjerm.

Du kan tenke på lys som en bølge. Når bølger passerer gjennom to spalter, som i eksperimentet, kolliderer de – forstyrrer – hverandre. Hvis toppene stemmer overens, forsterker de hverandre, noe som resulterer i en rekke svart-hvite striper av lys på en annen svart skjerm.

Dette eksperimentet ble brukt for å vise lysets bølgenatur i mer enn 200 år, frem til kvanteteorien kom. Deretter ble dobbeltspalteeksperimentet utført med kvantepartikler - elektroner. Dette er små ladede partikler, komponentene i et atom. På en merkelig måte kan disse partiklene oppføre seg som bølger. Det vil si at de gjennomgår diffraksjon når en strøm av partikler passerer gjennom to spalter, og produserer et interferensmønster.

Anta nå at kvantepartikler passerer gjennom spaltene én etter én, og deres ankomst på skjermen vil også bli observert steg for steg. Nå er det ikke noe åpenbart som kan få partikkelen til å forstyrre dens vei. Men mønsteret av partikkelpåvirkning vil fortsatt vise interferenskanter.

Alt tyder på at hver partikkel samtidig passerer gjennom begge spaltene og forstyrrer seg selv. Denne kombinasjonen av de to banene er kjent som superposisjonstilstanden.

Men her er det som er rart.

Hvis vi plasserer detektoren i eller bak en av spaltene, kan vi finne ut om partikler passerer gjennom den eller ikke. Men i dette tilfellet forsvinner forstyrrelsen. Det enkle faktum å observere partikkelens bane - selv om den observasjonen ikke skulle forstyrre partikkelens bevegelse - endrer resultatet.

Fysikeren Pascual Jordan, som jobbet med kvanteguruen Niels Bohr i København på 1920-tallet, sa det slik: "Observasjoner forstyrrer ikke bare det som skal måles, de bestemmer det... Vi tvinger kvantepartikkelen til å velge en bestemt posisjon." Med andre ord sier Jordan at «vi produserer selv målene».

I så fall kan objektiv virkelighet rett og slett kastes ut av vinduet.

Men raritetene slutter ikke der.

Hvis naturen endrer oppførsel avhengig av om vi ser eller ikke, kan vi prøve å jukse den. For å gjøre dette kunne vi måle hvilken vei partikkelen tok da den passerte gjennom dobbeltspalten, men først etter at den hadde passert gjennom den. På det tidspunktet burde hun allerede ha «bestemt seg» om hun skulle gå gjennom én vei eller gjennom begge.

Den amerikanske fysikeren John Wheeler foreslo et slikt eksperiment på 1970-tallet, og i løpet av de neste ti årene ble eksperimentet med "forsinket valg" utført. Den bruker smarte metoder for å måle banene til kvantepartikler (vanligvis lette partikler - fotoner) etter at de har valgt en vei eller en superposisjon av to.

Det viste seg at det, som Bohr spådde, ikke spiller noen rolle om vi utsetter målinger eller ikke. Så lenge vi måler banen til fotonet til dets treff og registrering i detektoren, er det ingen interferens. Det ser ut til at naturen "vet" ikke bare når vi kikker, men også når vi planlegger å kikke.

Eugene Wigner

Hver gang vi oppdager banen til en kvantepartikkel i disse eksperimentene, "krymper" skyen av mulige baner til en enkelt, veldefinert tilstand. Dessuten antyder forsinkelseseksperimentet at selve observasjonen, uten noen fysisk intervensjon forårsaket av målingen, kan forårsake kollaps. Betyr dette at ekte kollaps bare skjer når måleresultatet når vår bevissthet?

Denne muligheten ble foreslått på 1930-tallet av den ungarske fysikeren Eugene Wigner. "Det følger av dette at kvantebeskrivelsen av objekter er påvirket av inntrykkene som kommer inn i min bevissthet," skrev han. "Solipsisme kan være logisk konsistent med kvantemekanikk."

Wheeler var til og med underholdt av ideen om at det å ha levende vesener i stand til å "observere" hadde forvandlet det som tidligere hadde vært mange mulige kvantefortider til en konkret historie. Slik sett, sier Wheeler, blir vi deltakere i universets utvikling helt fra begynnelsen. Vi lever i et «deltakende univers», sier han.

Fysikere kan fortsatt ikke bestemme seg for den beste tolkningen av disse kvanteeksperimentene, og til en viss grad er retten gitt til deg. Men på en eller annen måte er implikasjonen åpenbar: bevissthet og kvantemekanikk henger sammen.

Fra og med 1980-tallet foreslo den engelske fysikeren Roger Penrose at denne forbindelsen kunne virke i en annen retning. Han sa at enten bevissthet påvirker kvantemekanikk eller ikke, er kanskje kvantemekanikk involvert i bevissthet.

Fysiker og matematiker Roger Penrose

Og Penrose spurte også: hva om det er molekylære strukturer i hjernen vår som kan endre tilstanden deres som svar på en enkelt kvantehendelse? Kan disse strukturene innta en tilstand av superposisjon, som partiklene i dobbeltspalteeksperimentet? Kan disse kvantesuperposisjonene da dukke opp i måten nevroner kommuniserer via elektriske signaler?

Kan det være, sa Penrose, at vår evne til å opprettholde tilsynelatende uforenlige mentale tilstander ikke er et perseptuelt særpreg, men en ekte kvanteeffekt?

Tross alt ser den menneskelige hjerne ut til å være i stand til å behandle kognitive prosesser som fortsatt er langt utenfor digitale datamaskiners evner. Vi kan til og med utføre beregningsoppgaver som ikke kan utføres på vanlige datamaskiner ved hjelp av klassisk digital logikk.

Penrose antydet først at kvanteeffekter er tilstede i menneskesinnet i boken hans fra 1989 The Emperor's New Mind. Hovedideen hans var "en orkestrert objektiv reduksjon". Objektiv reduksjon, ifølge Penrose, betyr at sammenbruddet av kvanteinterferens og superposisjon er en ekte fysisk prosess, som en sprengende boble.

Orkestrert objektiv reduksjon er avhengig av Penroses antakelse om at tyngdekraften, som påvirker hverdagsobjekter, stoler eller planeter, ikke viser kvanteeffekter. Penrose mener at kvantesuperposisjon blir umulig for objekter større enn atomer, fordi deres gravitasjonspåvirkning da vil føre til eksistensen av to inkompatible versjoner av rom-tid.

Penrose videreutviklet denne ideen sammen med den amerikanske legen Stuart Hameroff. I sin bok Shadows of the Mind (1994) foreslo han at strukturene involvert i denne kvanteerkjennelsen kunne være proteinfilamenter – mikrotubuli. De finnes i de fleste av cellene våre, inkludert hjernenevroner. Penrose og Hameroff hevdet at under prosessen med oscillasjon kan mikrotubuli innta en tilstand av kvantesuperposisjon.

Men det er ingenting som støtter at dette i det hele tatt er mulig.

Eksperimenter foreslått i 2013 var ment å støtte ideen om kvantesuperposisjoner i mikrotubuli, men faktisk nevnte disse studiene ikke kvanteeffekter. I tillegg mener de fleste forskere at ideen om orkestrerte objektive reduksjoner ble avkreftet av en studie publisert i 2000. Fysiker Max Tegmark har beregnet at kvantesuperposisjonene til molekyler involvert i nevrale signaler ikke kan overleve selv det øyeblikket det tar å overføre et signal.

Kvanteeffekter, inkludert superposisjon, er svært skjøre og blir ødelagt i en prosess som kalles dekoherens. Denne prosessen skyldes interaksjonene mellom et kvanteobjekt og omgivelsene, siden dets "kvantelighet" lekker.

Dekoherens ble antatt å være ekstremt rask i varme og fuktige miljøer som levende celler.

Nervesignaler er elektriske impulser forårsaket av passasje av elektrisk ladede atomer gjennom nervecellenes vegger. Hvis et av disse atomene var i en superposisjon og deretter kolliderte med et nevron, viste Tegmark at superposisjonen skulle forfalle på mindre enn en milliarddels milliarddels sekund. Det tar ti tusen billioner ganger lenger for et nevron å avfyre ​​et signal.

Det er derfor ideer om kvanteeffekter i hjernen ikke består testen til skeptikere.

Men Penrose insisterer nådeløst på OOR-hypotesen. Og til tross for Tegmarks spådom om superrask dekoherens i celler, har andre forskere funnet manifestasjoner av kvanteeffekter i levende vesener. Noen hevder at kvantemekanikk brukes av trekkfugler som bruker magnetisk navigasjon og grønne planter når de bruker sollys til å produsere sukker gjennom fotosyntese.

Med alt dette nekter ideen om at hjernen kan bruke kvantetriks å forsvinne for alltid. For de fant et annet argument til fordel for henne.

Kan fosfor opprettholde en kvantetilstand?

I en studie fra 2015 argumenterte UC Santa Barbara-fysiker Matthew Fisher for at hjernen kan inneholde molekyler som tåler kraftigere kvantesuperposisjoner. Spesielt mener han at fosforatomkjernene kan ha en slik evne. Fosforatomer finnes overalt i levende celler. De har ofte form av fosfationer, der ett fosforatom kombineres med fire oksygenatomer.

Slike ioner er den grunnleggende energienheten i cellene. Mesteparten av cellens energi er lagret i ATP-molekyler, som inneholder en sekvens av tre fosfatgrupper knyttet til et organisk molekyl. Når en av fosfatene kuttes av, frigjøres energi som brukes av cellen.

Celler har molekylære maskiner for å sette sammen fosfationer i grupper og bryte dem ned. Fischer foreslo et opplegg der to fosfationer kunne plasseres i en bestemt type superposisjon: i en sammenfiltret tilstand.

Fosforkjerner har en kvanteegenskap – spinn – som gjør at de ser ut som små magneter med poler som peker i bestemte retninger. I en sammenfiltret tilstand avhenger spinnet til den ene fosforkjernen av den andre. Med andre ord, sammenfiltrede tilstander er superposisjonstilstander som involverer mer enn én kvantepartikkel.

Fisher sier at den kvantemekaniske oppførselen til disse kjernefysiske spinnene kan motstå dekoherens. Han er enig med Tegmark i at kvantevibrasjonene Penrose og Hameroff snakket om vil være svært avhengige av miljøet deres og «dekohere nesten umiddelbart». Men spinnene til kjernene samhandler ikke så sterkt med omgivelsene.

Og likevel må kvanteadferden til spinnene til fosforkjerner "beskyttes" mot dekoherens.

Kvantepartikler kan ha forskjellige spinn

Dette kan skje, sier Fischer, hvis fosforatomene er inkorporert i større objekter kalt "Posner-molekyler." De er klynger av seks fosfationer kombinert med ni kalsiumioner. Det er noen indikasjoner på at slike molekyler kan være tilstede i levende celler, men så langt er de lite overbevisende.

I Posner-molekyler, hevder Fischer, kan fosforspinn motstå dekoherens i en dag eller så, selv i levende celler. Derfor kan de også påvirke hjernens funksjon.

Tanken er at Posner-molekyler kan tas opp av nevroner. Når de er inne, vil molekylene aktivere et signal til et annet nevron ved å desintegrere og frigjøre kalsiumioner. På grunn av sammenfiltringen i Posners molekyler, kan to av disse signalene bli viklet inn i sin tur: på en eller annen måte ville det være en kvantesuperposisjon av "tanke". "Hvis kvanteprosessering med kjernefysiske spinn faktisk er til stede i hjernen, ville det være et ekstremt vanlig fenomen som skjer hele tiden," sier Fisher.

Ideen kom først opp for ham da han tenkte på psykiske lidelser.

Litiumkarbonatkapsel

"Min introduksjon til hjernebiokjemi begynte da jeg for tre til fire år siden bestemte meg for å undersøke hvordan og hvorfor litiumionet har en så drastisk effekt i behandlingen av psykiske lidelser," sier Fisher.

Litiummedisiner er mye brukt til å behandle bipolar lidelse. De fungerer, men ingen vet egentlig hvorfor.

"Jeg var ikke ute etter en kvanteforklaring," sier Fisher. Men så snublet han over et papir som beskrev hvordan litiumpreparater hadde forskjellig effekt på oppførselen til rotter avhengig av hvilken form - eller "isotop" - av litium som ble brukt.

Til å begynne med forvirret dette forskere. Fra et kjemisk synspunkt oppfører forskjellige isotoper seg nesten likt, så hvis litium fungerte som et konvensjonelt medikament, burde isotopene hatt samme effekt.

Nerveceller er koblet til synapser

Men Fisher innså at kjernene til atomer av forskjellige isotoper av litium kan ha forskjellige spinn. Denne kvanteegenskapen kan påvirke hvordan litiumbaserte legemidler virker. Hvis for eksempel litium erstatter kalsium i Posner-molekylene, kan litiumspinnene ha en effekt på fosforatomene og hindre dem i å vikle seg inn.

Hvis dette er sant, kan det forklare hvorfor litium kan behandle bipolar lidelse.

For øyeblikket er Fishers forslag ikke mer enn en spennende idé. Men det er flere måter å sjekke det på. For eksempel at spinnene av fosfor i Posner-molekyler kan opprettholde kvantekoherens i lang tid. Dette er Fisher og planlegger å sjekke videre.

Likevel er han på vakt mot å bli assosiert med tidligere forestillinger om «kvantebevissthet», som han i beste fall anser som spekulative.

Bevissthet er et dypt mysterium

Fysikere liker ikke å være inne i sine egne teorier. Mange av dem håper at bevissthet og hjernen kan utvinnes fra kvanteteorien, og kanskje omvendt. Men vi vet ikke hva bevissthet er, for ikke å snakke om at vi ikke har en teori som beskriver det.

Dessuten er det av og til høye utrop om at kvantemekanikk vil tillate oss å mestre telepati og telekinese (og selv om det et sted i dybden av konsepter kan være slik, tar folk alt for bokstavelig). Derfor er fysikere generelt redde for å nevne ordene "kvante" og "bevissthet" i samme setning.

I 2016 foreslo Adrian Kent fra University of Cambridge i Storbritannia, en av de mest respekterte "kvantefilosofene", at bevissthet kan endre oppførselen til kvantesystemer på subtile, men detekterbare måter. Kent er veldig forsiktig i sine uttalelser. "Det er ingen overbevisende grunn til å tro at kvanteteori er en passende teori å utlede en bevissthetsteori fra, eller at problemene med kvanteteori på en eller annen måte bør krysse bevissthetsproblemet," innrømmer han.

Men han legger til at det er helt uforståelig hvordan man kan utlede en beskrivelse av bevissthet, utelukkende basert på pre-kvantefysikk, hvordan man kan beskrive alle dens egenskaper og trekk.

Vi forstår ikke hvordan tanker fungerer

Et spesielt spennende spørsmål er hvordan vårt bevisste sinn kan oppleve unike opplevelser som fargen rød eller lukten av stekt kjøtt. Bortsett fra synshemmede, vet vi alle hvordan rødt ser ut, men vi kan ikke beskrive følelsen, og det er ingenting i fysikken som kan fortelle oss hvordan det ser ut.

Følelser som disse kalles qualia. Vi oppfatter dem som enhetlige egenskaper ved den ytre verden, men faktisk er de produkter av vår bevissthet – og dette er vanskelig å forklare. I 1995 kalte filosofen David Chalmers dette bevissthetens «harde problem».

"Enhver mental kjede om sammenhengen mellom bevissthet og fysikk fører til alvorlige problemer," sier Kent.

Dette førte til at han antydet at "vi kunne gjøre noen fremskritt i å forstå problemet med utviklingen av bevissthet hvis vi tillot (eller til og med bare antok) at bevissthet endrer kvantesannsynligheter."

Hjernen kan med andre ord faktisk påvirke måleresultatene.

Fra dette synspunktet definerer det ikke "hva som er ekte". Men det kan påvirke sannsynligheten for at hver av de mulige realitetene pålagt av kvantemekanikk vil bli observert. Selv kvanteteorien kan ikke forutsi dette. Og Kent mener at vi kan lete etter slike manifestasjoner eksperimentelt. Selv vurderer dristig sjansene for å finne dem.

«Jeg vil tippe med 15 prosent sikkerhet at bevissthet forårsaker avvik fra kvanteteorien; og ytterligere 3 prosent at vi eksperimentelt vil bekrefte dette i løpet av de neste 50 årene, sier han.

Hvis dette skjer, vil ikke verden lenger være den samme. Og for det er det verdt å utforske.

Du har sikkert hørt mange ganger om kvantefysikkens og kvantemekanikkens uforklarlige mysterier. Dens lover fascinerer med mystikk, og til og med fysikerne selv innrømmer at de ikke helt forstår dem. På den ene siden er det nysgjerrig å forstå disse lovene, men på den andre siden er det ikke tid til å lese flerbinds og komplekse bøker om fysikk. Jeg forstår deg veldig godt, for jeg elsker også kunnskap og søken etter sannhet, men det er sårt ikke nok tid til alle bøkene. Du er ikke alene, mange nysgjerrige mennesker skriver inn på søkelinjen: «kvantefysikk for dummies, kvantemekanikk for dummies, kvantefysikk for nybegynnere, kvantemekanikk for nybegynnere, grunnleggende om kvantefysikk, grunnleggende om kvantemekanikk, kvantefysikk for barn, hva er kvantemekanikk". Dette innlegget er for deg.

Du vil forstå de grunnleggende konseptene og paradoksene i kvantefysikk. Fra artikkelen vil du lære:

• Hva er kvantefysikk og kvantemekanikk?
• Hva er interferens?
• Hva er kvanteforviklinger (eller kvanteteleportering for dummies)? (se artikkelen)
• Hva er tankeeksperimentet med Schrödingers katt? (se artikkelen)

Kvantemekanikk er en del av kvantefysikken.

Hvorfor er det så vanskelig å forstå disse vitenskapene? Svaret er enkelt: kvantefysikk og kvantemekanikk (en del av kvantefysikken) studerer mikroverdenens lover. Og disse lovene er helt forskjellige fra lovene i vårt makrokosmos. Derfor er det vanskelig for oss å forestille oss hva som skjer med elektroner og fotoner i mikrokosmos.

Et eksempel på forskjellen mellom lovene til makro- og mikroverdener: i vårt makrokosmos, hvis du legger en ball i en av de 2 boksene, vil en av dem være tom, og den andre - en ball. Men i mikrokosmos (hvis i stedet for en ball - et atom), kan et atom være samtidig i to bokser. Dette har gjentatte ganger blitt bekreftet eksperimentelt. Er det ikke vanskelig å sette det i hodet? Men du kan ikke argumentere med fakta.

Et eksempel til. Du fotograferte en rød racingbil og på bildet så du en uskarp horisontal stripe, som om bilen på tidspunktet for bildet var fra flere punkter i verdensrommet. Til tross for det du ser på bildet, er du fortsatt sikker på at bilen var i det øyeblikket du fotograferte den. på ett bestemt sted i verdensrommet. Slik er det ikke i mikroverdenen. Et elektron som kretser rundt kjernen til et atom, kretser faktisk ikke, men lokalisert samtidig på alle punkter av kulen rundt kjernen til et atom. Som en løst oppviklet ball av luftig ull. Dette konseptet i fysikk kalles "elektronisk sky" .

En liten digresjon inn i historien. For første gang tenkte forskere på kvanteverdenen da den tyske fysikeren Max Planck i 1900 prøvde å finne ut hvorfor metaller endrer farge når de varmes opp. Det var han som introduserte begrepet kvante. Før det trodde forskerne at lys reiste kontinuerlig. Den første personen som tok Plancks oppdagelse på alvor var den da ukjente Albert Einstein. Han innså at lys ikke bare er en bølge. Noen ganger oppfører den seg som en partikkel. Einstein mottok Nobelprisen for sin oppdagelse av at lys sendes ut i porsjoner, kvantum. Et lyskvantum kalles et foton ( foton, Wikipedia) .

For å gjøre det lettere å forstå kvantelovene fysikk og mekanikk (Wikipedia), er det nødvendig, i en viss forstand, å abstrahere fra lovene i klassisk fysikk som er kjent for oss. Og forestill deg at du dykket, som Alice, ned i kaninhullet, inn i Wonderland.

Og her er en tegneserie for barn og voksne. Snakker om det grunnleggende eksperimentet med kvantemekanikk med 2 spalter og en observatør. Varer kun 5 minutter. Se det før vi fordyper oss i de grunnleggende spørsmålene og begrepene innen kvantefysikk.

Kvantefysikk for dummies video. I tegneserien, vær oppmerksom på "øyet" til observatøren. Det har blitt et alvorlig mysterium for fysikere.

Hva er interferens?

I begynnelsen av tegneserien, ved å bruke eksempelet med en væske, ble det vist hvordan bølger oppfører seg - vekslende mørke og lyse vertikale striper vises på skjermen bak en plate med spor. Og i tilfellet når diskrete partikler (for eksempel småstein) blir "skutt" på platen, flyr de gjennom 2 spor og treffer skjermen rett overfor sporene. Og "tegn" på skjermen bare 2 vertikale striper.

Lys interferens– Dette er lysets «bølge»-oppførsel, når det vises mange vekslende lyse og mørke vertikale striper på skjermen. Og de vertikale stripene kalt et interferensmønster.

I vårt makrokosmos observerer vi ofte at lys oppfører seg som en bølge. Hvis du legger hånden foran stearinlyset, vil det ikke være en klar skygge fra hånden på veggen, men med uskarpe konturer.

Så det er ikke så vanskelig! Det er nå ganske klart for oss at lys har en bølgenatur, og hvis 2 spalter er opplyst med lys, vil vi på skjermen bak dem se et interferensmønster. Vurder nå det andre eksperimentet. Dette er det berømte Stern-Gerlach-eksperimentet (som ble utført på 20-tallet av forrige århundre).

I installasjonen beskrevet i tegneserien lyste de ikke med lys, men "skjøt" med elektroner (som separate partikler). Så, på begynnelsen av forrige århundre, trodde fysikere over hele verden at elektroner er elementære partikler av materie og ikke burde ha en bølgenatur, men det samme som småstein. Tross alt er elektroner elementære partikler av materie, ikke sant? Det vil si at hvis de "kastes" inn i 2 spor, som småstein, bør vi se 2 vertikale striper på skjermen bak sporene.

Men... Resultatet var fantastisk. Forskere så et interferensmønster - mange vertikale striper. Det vil si at elektroner, som lys, også kan ha en bølgenatur, de kan forstyrre. På den annen side ble det klart at lys ikke bare er en bølge, men også en partikkel – et foton (fra den historiske bakgrunnen i begynnelsen av artikkelen fikk vi vite at Einstein fikk Nobelprisen for denne oppdagelsen).

Du husker kanskje at på skolen ble vi fortalt i fysikk om "partikkelbølgedualisme"? Det betyr at når det kommer til veldig små partikler (atomer, elektroner) i mikroverdenen, da de er både bølger og partikler

Det er i dag du og jeg er så smarte og forstår at de 2 eksperimentene beskrevet ovenfor - skyting med elektroner og belysning av spor med lys - er det samme. Fordi vi skyter kvantepartikler mot spaltene. Nå vet vi at både lys og elektroner er av kvantenatur, de er både bølger og partikler på samme tid. Og på begynnelsen av 1900-tallet var resultatene av dette eksperimentet en sensasjon.

Merk følgende! La oss nå gå videre til en mer subtil sak.

Vi lyser på spaltene våre med en strøm av fotoner (elektroner) - og vi ser et interferensmønster (vertikale striper) bak spaltene på skjermen. Det er klart. Men vi er interessert i å se hvordan hvert av elektronene flyr gjennom spalten.

Antagelig flyr det ene elektronet til venstre spalte, det andre til høyre. Men da skal det vises 2 vertikale striper på skjermen rett overfor sporene. Hvorfor oppnås et interferensmønster? Kanskje elektronene på en eller annen måte samhandler med hverandre allerede på skjermen etter å ha flydd gjennom spaltene. Og resultatet er et slikt bølgemønster. Hvordan kan vi følge dette?

Vi vil kaste elektroner ikke i en stråle, men en om gangen. Slipp den, vent, slipp den neste. Nå, når elektronet flyr alene, vil det ikke lenger være i stand til å samhandle på skjermen med andre elektroner. Vi vil registrere hvert elektron på skjermen etter kastet. En eller to vil selvfølgelig ikke "male" et klart bilde for oss. Men når vi en etter en sender mange av dem inn i sporene, vil vi legge merke til ... oh horror - de "tegner" igjen et interferensbølgemønster!

Vi begynner sakte å bli gale. Tross alt forventet vi at det ville være 2 vertikale striper på motsatt side av sporene! Det viser seg at når vi kastet fotoner en om gangen, passerte hver av dem, som det var, gjennom 2 spalter samtidig og forstyrret seg selv. Skjønnlitteratur! Vi kommer tilbake til forklaringen av dette fenomenet i neste avsnitt.

Hva er spinn og superposisjon?

Vi vet nå hva interferens er. Dette er bølgeoppførselen til mikropartikler - fotoner, elektroner, andre mikropartikler (la oss kalle dem fotoner for enkelhets skyld fra nå av).

Som et resultat av eksperimentet, da vi kastet 1 foton inn i 2 spalter, innså vi at det flyr som om gjennom to spalter samtidig. Hvordan ellers forklare interferensmønsteret på skjermen?

Men hvordan forestille seg et bilde som et foton flyr gjennom to spalter samtidig? Det er 2 alternativer.

• 1. alternativ: foton, som en bølge (som vann) "flyter" gjennom 2 spalter samtidig
• Andre alternativ: et foton, som en partikkel, flyr samtidig langs 2 baner (ikke engang to, men alle på en gang)

I prinsippet er disse utsagnene likeverdige. Vi har kommet til "stiintegralet". Dette er Richard Feynmans formulering av kvantemekanikk.

Forresten, akkurat Richard Feynman tilhører det kjente uttrykket at vi kan trygt si at ingen forstår kvantemekanikk

Men dette uttrykket hans virket på begynnelsen av århundret. Men nå er vi smarte og vet at et foton kan oppføre seg både som en partikkel og som en bølge. At han, på en for oss uforståelig måte, kan fly samtidig gjennom 2 spor. Derfor vil det være lett for oss å forstå følgende viktige utsagn om kvantemekanikk:

Kvantemekanikk forteller oss strengt tatt at denne fotonoppførselen er regelen, ikke unntaket. Enhver kvantepartikkel er som regel i flere tilstander eller på flere punkter i rommet samtidig.

Objekter i makroverdenen kan bare være på ett spesifikt sted og i en bestemt tilstand. Men en kvantepartikkel eksisterer i henhold til sine egne lover. Og hun bryr seg ikke om at vi ikke forstår dem. Dette er poenget.

Det gjenstår for oss å bare akseptere som et aksiom at "superposisjonen" til et kvanteobjekt betyr at det kan være på 2 eller flere baner samtidig, på 2 eller flere punkter samtidig

Det samme gjelder en annen fotonparameter - spinn (sin egen vinkelmomentum). Spinn er en vektor. Et kvanteobjekt kan betraktes som en mikroskopisk magnet. Vi er vant til at magnetvektoren (spinn) enten er rettet opp eller ned. Men elektronet eller fotonet forteller oss igjen: "Gutter, vi bryr oss ikke om hva dere er vant til, vi kan være i begge spinntilstandene samtidig (vektor opp, vektor ned), akkurat som vi kan være på 2 baner ved samme tid eller på 2 poeng samtidig!

Hva er "måling" eller "bølgefunksjonskollaps"?

Det gjenstår for oss litt - å forstå hva som er "måling" og hva som er "kollaps av bølgefunksjonen".

bølgefunksjon er en beskrivelse av tilstanden til et kvanteobjekt (vårt foton eller elektron).

Anta at vi har et elektron, flyr det til seg selv i en ubestemt tilstand er spinn rettet både opp og ned på samme tid. Vi må måle tilstanden hans.

La oss måle ved hjelp av et magnetfelt: elektroner hvis spinn ble rettet i feltets retning vil avvike i én retning, og elektroner hvis spinn er rettet mot feltet vil avvike i den andre retningen. Fotoner kan også sendes til et polarisasjonsfilter. Hvis spinnet (polarisasjonen) til et foton er +1, passerer det gjennom filteret, og hvis det er -1, så gjør det det ikke.

Stoppe! Det er her spørsmålet uunngåelig oppstår: før målingen hadde jo ikke elektronet noen spesiell spinnretning, ikke sant? Var han i alle stater samtidig?

Dette er trikset og følelsen av kvantemekanikk.. Så lenge du ikke måler tilstanden til et kvanteobjekt, kan det rotere i hvilken som helst retning (ha hvilken som helst retning av sin egen vinkelmomentvektor - spinn). Men i det øyeblikket du målte tilstanden hans, ser det ut til at han bestemmer seg for hvilken spinnvektor han skal ta.

Dette kvanteobjektet er så kult - det tar en beslutning om tilstanden. Og vi kan ikke forutsi på forhånd hvilken avgjørelse den vil ta når den flyr inn i magnetfeltet vi måler den i. Sannsynligheten for at han bestemmer seg for å ha en spinnvektor "opp" eller "ned" er 50 til 50%. Men så snart han bestemmer seg, er han i en viss tilstand med en bestemt spinnretning. Årsaken til hans avgjørelse er vår "dimensjon"!

Dette kalles " bølgefunksjon kollaps". Bølgefunksjonen før målingen var ubestemt, dvs. elektronspinnvektoren var samtidig i alle retninger, etter målingen fikserte elektronet en bestemt retning av sin spinnvektor.

Merk følgende! Et utmerket eksempel-assosiasjon fra vårt makrokosmos for forståelse:

Spinn en mynt på bordet som en topp. Mens mynten snurrer, har den ingen spesifikk betydning - hoder eller hale. Men så snart du bestemmer deg for å "måle" denne verdien og smelle med mynten med hånden, er det her du får den spesifikke tilstanden til mynten - hoder eller haler. Forestill deg nå at denne mynten bestemmer hvilken verdi som skal "vise" deg - hoder eller haler. Elektronet oppfører seg omtrent på samme måte.

Husk nå eksperimentet vist på slutten av tegneserien. Når fotoner ble ført gjennom spaltene, oppførte de seg som en bølge og viste et interferensmønster på skjermen. Og da forskerne ønsket å fikse (måle) øyeblikket da fotoner passerte gjennom spalten og satte en "observatør" bak skjermen, begynte fotonene å oppføre seg ikke som bølger, men som partikler. Og "tegnet" 2 vertikale striper på skjermen. De. i øyeblikket for måling eller observasjon velger kvanteobjekter selv hvilken tilstand de skal være i.

Skjønnlitteratur! Er det ikke?

Men det er ikke alt. Endelig vi kom til det mest interessante.

Men ... det virker for meg som det vil være en overbelastning av informasjon, så vi vil vurdere disse 2 konseptene i separate innlegg:

• Hva ?
• Hva er et tankeeksperiment.

Og nå, vil du at informasjonen skal legges i hyllene? Se en dokumentar produsert av Canadian Institute for Theoretical Physics. På 20 minutter vil den fortelle deg veldig kort og i kronologisk rekkefølge om alle kvantefysikkens oppdagelser, fra og med oppdagelsen av Planck i 1900. Og så vil de fortelle deg hvilken praktisk utvikling som for tiden utføres på grunnlag av kunnskap om kvantefysikk: fra de mest nøyaktige atomklokkene til superraske beregninger av en kvantedatamaskin. Jeg anbefaler på det sterkeste å se denne filmen.

Ser deg!

Jeg ønsker deg all inspirasjon til alle dine planer og prosjekter!

P.S.2 Skriv dine spørsmål og tanker i kommentarfeltet. Skriv hvilke andre spørsmål om kvantefysikk er du interessert i?

P.S.3 Abonner på bloggen - abonnementsskjemaet under artikkelen.