Kukaan tässä maailmassa ei ymmärrä, mikä on kvanttimekaniikka. Tämä on ehkä tärkein asia, mitä sinun täytyy tietää hänestä. Tietenkin, monet fyysikot ovat oppineet käyttämään lakeja ja jopa ennustamaan ilmiöitä kvanttilaskennan perusteella. Mutta on edelleen epäselvää, miksi kokeen tarkkailija määrittelee järjestelmän käyttäytymisen ja saa sen ottamaan yhden kahdesta tilasta.
Tässä on esimerkkejä kokeista, joiden tulokset muuttuvat väistämättä tarkkailijan vaikutuksesta. Ne osoittavat, että kvantmekaniikka käsittelee käytännössä tietoisen ajattelun puuttumista materiaalitodellisuuteen.
Kvanttimekaniikkaan liittyy tänään monia tulkintoja, mutta Kööpenhaminan tulkinta on ehkä tunnetuin. Niels Bohr ja Werner Heisenberg muotoilivat 1920-luvulla sen yleiset postulaatit.
Kööpenhaminan tulkinta perustuu aaltofunktioon. Se on matemaattinen funktio, joka sisältää tietoa kaikista kvanttijärjestelmän mahdollisista tiloista, joissa se esiintyy samanaikaisesti. Kööpenhaminan tulkinnan mukaan järjestelmän tila ja sen sijainti suhteessa muihin tiloihin voidaan määrittää vain havainnoin (aaltofunktiota käytetään vain matemaattisesti laskeakseen todennäköisyys löytää järjestelmä yhdessä tai toisessa tilassa).
Voimme sanoa, että havainnon jälkeen kvantijärjestelmästä tulee klassinen ja lakkaa olemasta välittömästi muissa tiloissa kuin siinä, jossa sitä havaittiin. Tämä johtopäätös löysi vastustajansa (muistakaa Einsteinin kuuluisa "Jumala ei pelaa noppaa"), mutta laskelmien ja ennusteiden tarkkuudella oli silti oma.
Siitä huolimatta Kööpenhaminan tulkinnan kannattajien määrä on vähentymässä, ja pääasiallinen syy tähän on aalto-funktion salaperäinen hetkellinen romahtaminen kokeen aikana. Erwin Schrödingerin kuuluisan ajatuskokeen kanssa köyhä kissa pitäisi osoittaa tämän ilmiön järjetöntä. Muistakaamme yksityiskohdat.
Mustassa laatikossa istuu musta kissa ja sen mukana pullo myrkkyä ja mekanismi, joka voi satunnaisesti vapauttaa myrkkyä. Esimerkiksi radioaktiivinen atomi voi rikkoa kuplan rappeutumisen aikana. Atomin tarkkaa rappeutumisaikaa ei tunneta. Vain puoliintumisaika tunnetaan, jonka aikana rappeutuminen tapahtuu todennäköisyydellä 50%.
Ilmeisesti ulkopuoliselle tarkkailijalle kissa laatikon sisällä on kahdessa tilassa: se on joko elossa, jos kaikki meni hyvin, tai kuollut, jos rappeutuminen on tapahtunut ja pullo on rikkoutunut. Kumpaakin näistä tiloista kuvaa kissan aaltofunktio, joka muuttuu ajan myötä.
Mainosvideo:
Mitä enemmän aikaa on kulunut, sitä todennäköisempää on, että radioaktiivista hajoamista on tapahtunut. Mutta heti kun avaamme laatikon, aaltofunktio romahtaa, ja näemme heti tämän epäinhimillisen kokeen tulokset.
Itse asiassa, kunnes tarkkailija avaa laatikon, kissa tasapainottaa loputtomasti elämän ja kuoleman välillä tai on hengissä ja kuollut samanaikaisesti. Sen kohtalo voidaan päättää vain tarkkailijan toiminnasta. Schrödinger huomautti tähän järjettömyyteen.
1. Elektronien diffraktio
The New York Timesin kuuluisten fyysikkojen tutkimuksen mukaan elektronidiffraktiokoe on yksi upeimmista tutkimuksista tieteen historiassa. Mikä sen luonne on? On lähde, joka emittoi elektronisäteen valoherkälle näytölle. Ja näiden elektronien, kuparilevyn, jolla on kaksi rakoa, tiellä on este.
Millaista kuvaa voit odottaa näytöltä, jos elektronit esitetään meille yleensä pieninä varautuneina palloina? Kaksi raitaa vastapäätä kuparilevyn rakoja. Mutta todellisuudessa näytölle ilmestyy paljon monimutkaisempi malli vuorottelevista valkoisista ja mustista raidoista. Tämä johtuu siitä, että kulkiessaan raon läpi, elektronit alkavat käyttäytyä paitsi hiukkasina myös aaltoina (fotonit tai muut valopartikkelit käyttäytyvät samalla tavalla, mikä voi olla aalto samanaikaisesti).
Nämä aallot ovat vuorovaikutuksessa avaruudessa, törmäävät ja vahvistavat toisiaan, ja seurauksena näytölle ilmestyy monimutkainen vuorottelevien vaaleiden ja tummien raitojen kuvio. Samalla tämän kokeen tulos ei muutu, vaikka elektronit kulkisivat yksi kerrallaan - jopa yksi hiukkas voi olla aalto ja kulkea samanaikaisesti kahden raon läpi. Tämä postulaatti oli yksi tärkeimmistä kvanttimekaniikan tulkinnassa Kööpenhaminassa, kun hiukkaset voivat samanaikaisesti osoittaa "tavallisia" fysikaalisia ominaisuuksiaan ja eksoottisia ominaisuuksiaan kuin aalto.
Entä tarkkailija? Juuri hän tekee tästä sekavastä tarinasta entistä hämmentävämmän. Kun fyysikot yrittivät tällaisten kokeilujen aikana määrittää välineillä, joiden läpi rako elektronin todella kulkee, ruudun kuva muuttui dramaattisesti ja tuli "klassiseksi": kahdella valaisulla osuudella, jotka olivat vastakkaisesti rakoja, ilman vuorottelevia raitoja.
Elektronit näyttivät olevan haluttomia paljastamaan aalto-luonteensa tarkkailijoiden tarkkaileville silmille. Se näyttää mysteeriltä, joka on varjostettu pimeyteen. Mutta selitys on myös yksinkertaisempi: järjestelmän valvontaa ei voida suorittaa vaikuttamatta siihen fyysisesti. Keskustelemme tästä myöhemmin.
2. Lämmitetyt fullereenit
Hiukkasdiffraktiokokeet suoritettiin paitsi elektronien kanssa myös muiden, paljon suurempien esineiden kanssa. Esimerkiksi he käyttivät fullereenejä, suuria ja suljettuja molekyylejä, jotka koostuivat useista kymmenistä hiiliatomeista. Äskettäin Wienin yliopiston tutkijoiden ryhmä, jota johti professori Zeilinger, yritti sisällyttää havaintoelementin näihin kokeisiin. Tätä varten he säteilivät liikkuvia fullereenimolekyylejä lasersäteillä. Sitten, ulkoisen lähteen lämmittämällä, molekyylit alkoivat hehkua ja osoittavat väistämättä läsnäolonsa tarkkailijalle.
Tämän innovaation myötä myös molekyylien käyttäytyminen on muuttunut. Ennen tällaisen kattavan havainnon aloittamista fullereenit olivat melko onnistuneita välttämään esteitä (joilla oli aalto-ominaisuuksia), kuten edellisessä esimerkissä, kun elektronit osuivat näytölle. Mutta tarkkailijan läsnä ollessa fullereenit alkoivat käyttäytyä täysin lainkuuliaisina fyysisinä hiukkasina.
3. Jäähdytysmitta
Yksi tunnetuimmista laeista kvanttifysiikan maailmassa on Heisenbergin epävarmuusperiaate, jonka mukaan on mahdotonta määrittää kvanttiobjektin nopeutta ja sijaintia samanaikaisesti. Mitä tarkemmin mitataan hiukkasen vauhtia, sitä vähemmän tarkemmin voimme mitata sen sijainnin. Makroskooppisessa todellisessa maailmassa pieniin hiukkasiin vaikuttavien kvanttilakien pätevyys jää kuitenkin yleensä huomaamatta.
Yhdysvaltain professori Schwabin äskettäiset kokeilut antavat erittäin arvokkaan panoksen tähän alueeseen. Kvanttiefektit näissä kokeissa eivät osoitettu elektronien tai fullereenimolekyylien tasolla (joiden likimääräinen halkaisija on 1 nm), vaan suurempiin kohteisiin, pieneen alumiininauhaan. Tämä teippi kiinnitettiin molemmille puolille siten, että sen keskiosa oli ripustettuna ja pystyi värähtelemään ulkoisen vaikutuksen alaisena. Lisäksi lähelle sijoitettiin laite, joka pystyy tarkkaan nauhoittamaan nauhan sijainnin. Kokeilu paljasti useita mielenkiintoisia asioita. Ensinnäkin mikä tahansa esineen sijaintiin ja nauhan havaitsemiseen liittyvä mittaus vaikutti siihen, jokaisen mittauksen jälkeen nauhan sijainti muuttui.
Kokeilijat määrittivät nauhan koordinaatit erittäin tarkasti ja muuttivat siten Heisenbergin periaatteen mukaisesti sen nopeutta ja siten seuraavaa sijaintia. Toiseksi melko yllättäen jotkut mittaukset johtivat nauhan jäähtymiseen. Täten tarkkailija voi muuttaa esineiden fyysisiä ominaisuuksia pelkällä läsnäolollaan.
4. Jäädyttävät hiukkaset
Kuten tiedät, epästabiilit radioaktiiviset hiukkaset hajoavat paitsi kokeissa kissojen kanssa myös itse. Jokaisella hiukkasella on keskimääräinen elinikä, joka, kuten käy ilmi, voi kasvaa tarkkailijan tarkkailun alla. Tämä kvanttivaikutus ennustettiin jo 60-luvulla, ja sen loistavat kokeelliset todisteet ilmestyivät paperissa, jonka julkaisi ryhmä, jota johtaa fysiikan Nobel-palkinnon saaja Wolfgang Ketterle Massachusetts Institute of Technologystä.
Tässä työssä tutkittiin epävakaiden virittyneiden rubidiumatomien hajoamista. Heti järjestelmän valmistuksen jälkeen atomit viritettiin laser lasersäteellä. Havainto tapahtui kahdessa tilassa: jatkuvana (järjestelmä altistettiin jatkuvasti pienille valopulsseille) ja pulssille (järjestelmää säteilytettiin aika ajoin tehokkaammilla pulsseilla).
Saadut tulokset olivat täysin sopusoinnussa teoreettisten ennusteiden kanssa. Ulkoiset valotehosteet hidastavat hiukkasten rappeutumista palauttamalla ne alkuperäiseen tilaansa, joka on kaukana hajoamistilasta. Tämän vaikutuksen suuruus oli myös ennusteiden mukainen. Epästabiilien virittyneiden rubidiumatomien maksimikäyttöikä kasvoi 30 kertaa.
5. Kvanttimekaniikka ja tietoisuus
Elektronit ja fullereenit lakkaavat näyttämästä aalto-ominaisuuksiaan, alumiinilevyt jäähtyvät ja epästabiilit hiukkaset hidastavat niiden hajoamista. Tarkkailijan tarkkaileva silmä muuttaa kirjaimellisesti maailmaa. Miksi tämä ei voi olla todiste mielemme osallistumisesta maailman toimintaan? Ehkä Carl Jung ja Wolfgang Pauli (itävaltalainen fyysikko, Nobel-palkinnon saaja, kvanttimekaniikan edelläkävijä) olivat loppujen lopuksi oikeassa, kun he sanoivat, että fysiikan ja tietoisuuden lait olisi nähtävä täydentävinä toisiaan?
Olemme yhden askeleen päässä tunnistamasta, että ympäröivä maailma on vain mielemmemme illuusio. Idea on pelottava ja houkutteleva. Yritetään kääntyä jälleen fyysikoiden puoleen. Varsinkin viime vuosina, kun yhä harvemmat ihmiset uskovat kvanttimekaniikan tulkinnan kvanttimekaniikasta sen salallisella aaltofunktiolla romahtaen, viitaten arkipäiväisempaan ja luotettavampaan dekoorenssiin.
Asia on, että kaikissa näissä havaintokokeissa kokeilijat väistämättä vaikuttivat järjestelmään. He valaisivat sen laserilla ja asensivat mittalaitteita. Niitä yhdisti tärkeä periaate: et voi havaita järjestelmää tai mitata sen ominaisuuksia tekemättä vuorovaikutusta sen kanssa. Mikä tahansa vuorovaikutus on ominaisuuksien muuttamisprosessi. Varsinkin kun pieni kvanttijärjestelmä altistuu kolossaaleille kvanttikohteille. Jotkut ikuisesti neutraali buddhalainen tarkkailija on periaatteessa mahdotonta. Ja tässä tulee termi "decoherence", mikä on termodynaamisesta kannalta peruuttamaton: järjestelmän kvanttiset ominaisuudet muuttuvat, kun ne ovat vuorovaikutuksessa toisen suuren järjestelmän kanssa.
Tämän vuorovaikutuksen aikana kvanttijärjestelmä menettää alkuperäiset ominaisuutensa ja muuttuu klassiseksi, ikään kuin "tottelee" suurta järjestelmää. Tämä selittää myös Schrödingerin kissan paradoksin: kissa on liian iso järjestelmä, joten sitä ei voida eristää muusta maailmasta. Tämän ajatuskokeen suunnittelu ei ole täysin oikea.
Joka tapauksessa, jos oletamme, että tietoisuus luomakunnan tosiasioista toteuttaa, deheherence näyttää olevan paljon helpompi lähestymistapa. Ehkä jopa liian kätevä. Tämän lähestymistavan myötä koko klassisesta maailmasta tulee yksi suuri seuraus epäyhtenäisyydestä. Ja kuten yhden alan kuuluisimpien kirjojen kirjoittaja totesi, tämä lähestymistapa johtaa loogisesti väitteisiin, kuten "maailmassa ei ole hiukkasia" tai "ei ole aikaa perustavaa laatua".
Onko totta luoja-tarkkailijassa vai voimakkaassa dekoorenssissa? Meidän on valittava kahden pahan välillä. Siitä huolimatta tutkijat ovat yhä vakuuttuneempia siitä, että kvanttivaikutukset ovat osoitus mielen prosesseistamme. Ja missä tarkkailu loppuu ja todellisuus alkaa, riippuu meistä jokaisesta.
Perustuu topinfopost.com-sivuston materiaaleihin