Kvantna fizika će objasniti vaše čudne postupke. Postoji čudna veza između ljudske svijesti i kvantne fizike Kvantna fizika je objašnjena

• Prevod

Prema Owenu Maroneyju, fizičaru sa Univerziteta u Oksfordu, od pojave kvantne teorije 1900-ih, svi pričaju o neobičnosti teorije. Kako dozvoljava česticama i atomima da se kreću u više smjerova odjednom, ili da se istovremeno rotiraju u smjeru kazaljke na satu i suprotno. Ali riječi ne mogu ništa dokazati. "Ako javnosti kažemo da je kvantna teorija vrlo čudna, moramo eksperimentalno testirati ovu tvrdnju", kaže Maroney. „U suprotnom, mi se ne bavimo naukom, već pričamo o svim vrstama škriljaca na tabli."

To je dalo Maroneyu i njegovim kolegama ideju da razviju novu seriju eksperimenata kako bi otkrili suštinu valne funkcije - misteriozni entitet koji leži u osnovi kvantnih neobičnosti. Na papiru, valna funkcija je jednostavno matematički objekt, označen slovom psi (Ψ) (jedan od tih žgolja) i koristi se za opisivanje kvantnog ponašanja čestica. U zavisnosti od eksperimenta, talasna funkcija omogućava naučnicima da izračunaju verovatnoću da se elektron vidi na određenoj lokaciji ili šanse da je njegov spin orijentisan gore ili dole. Ali matematika vam ne govori šta je zapravo talasna funkcija. Je li to nešto fizičko? Ili jednostavno računski alat za rješavanje promatračevog neznanja o stvarnom svijetu?

Testovi koji se koriste za odgovor na pitanje su vrlo suptilni i tek treba da daju konačan odgovor. Ali istraživači su optimistični da je kraj blizu. I konačno će moći da odgovore na pitanja koja decenijama muče sve. Može li čestica zaista biti na više mjesta u isto vrijeme? Da li se Univerzum stalno dijeli na paralelni svetovi, u svakom od kojih postoji naš alternativna verzija? Postoji li uopće nešto što se zove “objektivna stvarnost”?

„Svako ima ovakva pitanja prije ili kasnije“, kaže Alessandro Fedricci, fizičar sa Univerziteta Queensland (Australija). “Šta je zapravo stvarno?”

Sporovi o suštini stvarnosti počeli su kada su fizičari otkrili da su talas i čestica samo dve strane istog novčića. Klasičan primjer je eksperiment sa dvostrukim prorezom, gdje se pojedinačni elektroni ispaljuju u barijeru koja ima dva proreza: elektron se ponaša kao da prolazi kroz dva proreza u isto vrijeme, stvarajući prugasti interferencijski uzorak na drugoj strani. Godine 1926. austrijski fizičar Erwin Schrödinger osmislio je talasnu funkciju da opiše ovo ponašanje i izveo jednačinu koja se može izračunati za svaku situaciju. Ali ni on ni bilo ko drugi nije mogao ništa reći o prirodi ove funkcije.

Milost u neznanju

Sa praktične tačke gledišta, njegova priroda nije važna. Kopenhaška interpretacija kvantne teorije, koju su 1920-ih stvorili Niels Bohr i Werner Heisenberg, koristi valnu funkciju jednostavno kao alat za predviđanje rezultata opservacija, bez potrebe za razmišljanjem o tome što se događa u stvarnosti. „Ne možete kriviti fizičare za ovo ponašanje 'začepi i broji', jer je dovelo do značajnih otkrića u nuklearnoj, atomskoj, fizici čvrstog stanja i fizici čestica," kaže Jean Bricmont, statistički fizičar na Katoličkom univerzitetu u Belgiji . “Zato se ljudima savjetuje da ne brinu o fundamentalnim pitanjima.”

Ali neki su i dalje zabrinuti. Do 1930-ih, Einstein je odbacio tumačenje iz Kopenhagena, ne samo zato što je dozvoljavalo dvije čestice da zaplete svoje valne funkcije, što je dovelo do situacije u kojoj mjerenja jedne mogu trenutno dati stanje druge, čak i ako su razdvojene ogromnim udaljenostima. . Kako se ne bi pomirio s ovom "zastrašujućom interakcijom na daljinu", Ajnštajn je radije vjerovao da su valne funkcije čestica nepotpune. Rekao je da je moguće da čestice imaju neke skrivene varijable koje određuju rezultat mjerenja koje kvantna teorija nije primijetila.

Eksperimenti su od tada pokazali funkcionalnost zastrašujuće interakcije na daljinu, koja odbacuje koncept skrivenih varijabli. ali to nije spriječilo druge fizičare da ih tumače na svoj način. Ova tumačenja dijele se u dva tabora. Neki se slažu sa Einsteinom da valna funkcija odražava naše neznanje. To je ono što filozofi nazivaju psi-epistemičkim modelima. A drugi gledaju na valnu funkciju kao na stvarnu stvar - psi-ontičke modele.

Da bismo razumjeli razliku, zamislimo misaoni eksperiment Schrödinger, koju je opisao 1935. u pismu Ajnštajnu. Mačka je u čeličnoj kutiji. Kutija sadrži uzorak radioaktivnog materijala koji ima 50% šanse da otpusti produkt raspada u jednom satu i mašinu koja će otrovati mačku ako se ovaj proizvod otkrije. Budući da je radioaktivni raspad događaj na kvantnom nivou, piše Schrödinger, pravila kvantne teorije kažu da na kraju sata talasna funkcija unutrašnjosti kutije mora biti mješavina mrtve i žive mačke.

„Ugrubo rečeno“, blago kaže Federicci, „u psi-epistemičkom modelu, mačka u kutiji je ili živa ili mrtva, a mi to jednostavno ne znamo jer je kutija zatvorena.“ I u većini psioničkih modela postoji saglasnost sa Kopenhagenskom interpretacijom: dok posmatrač ne otvori kutiju, mačka će biti i živa i mrtva.

Ali ovdje spor dolazi u ćorsokak. Koja je interpretacija istinita? Na ovo pitanje je teško odgovoriti eksperimentalno jer su razlike između modela vrlo suptilne. Oni bi u suštini trebali da predvide isti kvantni fenomen kao i veoma uspešna interpretacija u Kopenhagenu. Endrju Vajt, fizičar sa Univerziteta Kvinslend, kaže da je tokom njegove 20-godišnje karijere u kvantnoj tehnologiji "ovaj problem bio kao ogromna glatka planina bez izbočina kojima se ne možete približiti".

Sve se promijenilo 2011. godine, objavljivanjem teoreme kvantnog mjerenja, koja je, čini se, eliminirala pristup „talasne funkcije kao neznanja“. Ali pomnijim ispitivanjem pokazalo se da ova teorema ostavlja dovoljno prostora za njihov manevar. Međutim, to je inspirisalo fizičare da ozbiljno razmisle o načinima rješavanja spora testiranjem realnosti valne funkcije. Maroney je već osmislio eksperiment koji je u principu funkcionirao, a on i njegove kolege ubrzo su pronašli način da ga provedu u praksi. Eksperiment su prošle godine izveli Fedrici, White i drugi.

Da biste razumjeli ideju testa, zamislite dva špila karata. Jedan ima samo crvene, drugi samo asove. „Dobijate karticu i tražite da identifikujete iz kojeg špila dolazi“, kaže Martin Ringbauer, fizičar sa istog univerziteta. Ako se radi o crvenom asu, "doći će do crossovera i ne možete sa sigurnošću reći." Ali ako znate koliko karata ima u svakom špilu, možete izračunati koliko će se često ova dvosmislena situacija pojaviti.

Fizika u opasnosti

Ista dvosmislenost se dešava u kvantnim sistemima. Nije uvijek moguće saznati, na primjer, koliko je foton polariziran jednim mjerenjem. „U stvarnom životu, lako je razlikovati zapad od pravca južno od zapada, ali u kvantnim sistemima to nije tako lako“, kaže Vajt. Prema standardnom tumačenju iz Kopenhagena, nema smisla pitati se o polarizaciji, jer pitanje nema odgovor - sve dok još jedno mjerenje ne utvrdi tačno odgovor. Ali prema modelu talasne funkcije kao neznanja, pitanje ima smisla – samo eksperimentu, poput onog sa špilom karata, nedostaju informacije. Kao i kod mapa, moguće je predvidjeti koliko se dvosmislenih situacija može objasniti takvim neznanjem i uporediti ih s velikim brojem dvosmislenih situacija koje rješava standardna teorija.

To je upravo ono što su Fedrici i njegov tim testirali. Tim je izmjerio polarizaciju i druga svojstva u snopu fotona i pronašao nivoe ukrštanja koji se ne mogu objasniti modelima "neznanja". Rezultat podržava alternativnu teoriju - ako objektivna stvarnost postoji, tada postoji i valna funkcija. „Impresivno je da je tim uspeo da reši tako složen problem sa tako jednostavnim eksperimentom“, kaže Andrea Alberti, fizičar sa Univerziteta u Bonu u Nemačkoj.

Zaključak još nije ukorijenjen: budući da su detektori uhvatili samo petinu fotona korištenih u testu, moramo pretpostaviti da su se izgubljeni fotoni ponašali na isti način. Ovo je jaka pretpostavka i tim sada radi na smanjenju gubitaka i stvaranju definitivnog rezultata. U međuvremenu, Maroneyev tim na Oksfordu radi sa Univerzitetom Novog Južnog Velsa u Australiji na repliciranju eksperimenta sa jonima koje je lakše pratiti. "U narednih šest mjeseci imat ćemo konačnu verziju ovog eksperimenta", kaže Maroney.

Ali čak i ako su uspješni i modeli „valne funkcije kao stvarnosti“ pobijede, onda i ovi modeli imaju različite opcije. Eksperimentatori će morati da izaberu jedan od njih.

Jedno od najranijih tumačenja napravio je 1920-ih Francuz Louis de Broglie, a proširio 1950-ih Amerikanac David Bohm. Prema Broglie-Bohmovim modelima, čestice imaju specifičnu lokaciju i svojstva, ali ih pokreće određeni "pilot val", koji je definiran kao valna funkcija. Ovo objašnjava eksperiment sa dva proreza, budući da pilot talas može proći kroz oba proreza i proizvesti interferencijski obrazac, iako sam elektron, privučen njime, prolazi samo kroz jedan od dva proreza.

Godine 2005. ovaj model je dobio neočekivanu podršku. Fizičari Emmanuel Fort, sada na Institutu Langevin u Parizu, i Yves Caudier sa Paris Diderot univerziteta dali su studentima ono što su mislili da je jednostavan problem: postavili eksperiment u kojem bi se kapljice ulja koje padaju na poslužavnik spajale zbog vibracija poslužavnik. Na opšte iznenađenje, talasi su počeli da se formiraju oko kapljica dok je tacna vibrirala na određenoj frekvenciji. „Kapljice su počele da se kreću nezavisno na sopstvenim talasima“, kaže Fort. “Bio je to dvostruki objekt – čestica koju je povukao val.”

Forth i Caudier su od tada pokazali da takvi valovi mogu provoditi svoje čestice u eksperimentu sa dvostrukim prorezom točno onako kako predviđa teorija pilot valova, i mogu reproducirati druge kvantne efekte. Ali to ne dokazuje postojanje pilot talasa u kvantnom svetu. „Rečeno nam je da su takvi efekti nemogući u klasičnoj fizici“, kaže Fort. “I ovdje smo pokazali šta je moguće.”

Drugi skup modela zasnovanih na stvarnosti, razvijen 1980-ih, pokušava da objasni ogromne razlike u svojstvima između velikih i malih objekata. „Zašto elektroni i atomi mogu biti na dva mjesta odjednom, a stolovi, stolice, ljudi i mačke ne mogu“, kaže Angelo Basi, fizičar sa Univerziteta u Trstu (Italija). Poznate kao "modeli kolapsa", ove teorije kažu da su valne funkcije pojedinačnih čestica stvarne, ali mogu izgubiti svoja kvantna svojstva i prisiliti česticu u određenu poziciju u prostoru. Modeli su dizajnirani tako da su šanse za takav kolaps izuzetno male za pojedinačnu česticu, tako da kvantni efekti dominiraju na atomskom nivou. Ali vjerovatnoća kolapsa brzo raste kako se čestice spajaju, a makroskopski objekti potpuno gube svoja kvantna svojstva i ponašaju se prema zakonima klasične fizike.

Jedan od načina da se ovo testira je traženje kvantnih efekata u velikim objektima. Ako je standardna kvantna teorija tačna, onda nema ograničenja u veličini. A fizičari su već proveli eksperiment sa dvostrukim prorezom koristeći velike molekule. Ali ako su modeli kolapsa tačni, tada kvantni efekti neće biti vidljivi iznad određene mase. Razne grupe Planiraju da traže ovu masu koristeći hladne atome, molekule, metalne klastere i nanočestice. Nadaju se da će otkriti rezultate u narednih deset godina. „Ono što je cool u vezi sa ovim eksperimentima je to što ćemo kvantnu teoriju staviti na rigorozne testove tamo gde ona ranije nije testirana“, kaže Maroney.

Paralelni svetovi

Teško je odvojiti ovu interpretaciju od standardne kvantne teorije jer su njihova predviđanja ista. Ali prošle godine, Howard Wiseman sa Univerziteta Griffith u Brizbejnu i njegove kolege predložili su model multiverzuma koji se može testirati. U njihovom modelu ne postoji valna funkcija - čestice se pokoravaju klasičnoj fizici, Newtonovim zakonima. A čudni efekti kvantnog svijeta pojavljuju se jer postoje odbojne sile između čestica i njihovih klonova u paralelnim svemirima. „Sila odbijanja između njih stvara talase koji se šire kroz paralelne svetove“, kaže Wiseman.

Koristeći kompjutersku simulaciju u kojoj je stupio u interakciju 41 univerzum, pokazali su da model grubo reproducira nekoliko kvantnih efekata, uključujući putanje čestica u eksperimentu sa dvostrukim prorezom. Kako se broj svjetova povećava, obrazac interferencije teži stvarnom. Budući da se predviđanja teorije razlikuju u zavisnosti od broja svjetova, kaže Wiseman, moguće je testirati da li je model multiverzuma ispravan – to jest, da ne postoji valna funkcija i da stvarnost funkcionira prema klasičnim zakonima.

Budući da valna funkcija nije potrebna u ovom modelu, ona će ostati održiva čak i ako budući eksperimenti isključe modele "neznanja". Osim toga, opstat će i drugi modeli, na primjer, Kopenhaška interpretacija, koja tvrdi da ne postoji objektivna stvarnost, već samo proračuni.

Ali tada će, kaže Vajt, ovo pitanje postati predmet proučavanja. I dok još niko ne zna kako to da uradi, „ono što bi bilo zaista interesantno je da se razvije test koji testira da li uopšte imamo objektivnu realnost“.

Verovatno ste to čuli mnogo puta o neobjašnjivim misterijama kvantne fizike i kvantne mehanike. Njegovi zakoni fasciniraju misticizmom, a čak i sami fizičari priznaju da ih ne razumiju u potpunosti. S jedne strane, zanimljivo je razumjeti ove zakone, ali s druge strane, nema vremena za čitanje višetomnih i složenih knjiga o fizici. Jako vas razumijem, jer i ja volim znanje i potragu za istinom, ali za sve knjige itekako nema dovoljno vremena. Niste sami, mnogi znatiželjnici upisuju u traku za pretragu: „kvantna fizika za lutke, kvantna mehanika za lutke, kvantna fizika za početnike, kvantna mehanika za početnike, osnove kvantne fizike, osnove kvantne mehanike, kvantna fizika za djecu, šta je kvantna mehanika"..

Ova publikacija je upravo za vas

• Razumjet ćete osnovne koncepte i paradokse kvantne fizike. Iz članka ćete naučiti:
• Šta je kvantna fizika i kvantna mehanika?
• Šta je smetnja?
• Šta je kvantna zapetljanost (ili kvantna teleportacija za lutke)? (vidi članak)

Šta je misaoni eksperiment Schrödingerove mačke? (vidi članak)

Kvantna mehanika je dio kvantne fizike.

Zašto je tako teško razumjeti ove nauke? Odgovor je jednostavan: kvantna fizika i kvantna mehanika (dio kvantne fizike) proučavaju zakone mikrosvijeta. I ovi zakoni su apsolutno drugačiji od zakona našeg makrokosmosa. Stoga nam je teško zamisliti šta se dešava sa elektronima i fotonima u mikrokosmosu. Primjer razlike između zakona makro- i mikrosvijeta

: u našem makro svijetu, ako stavite loptu u jednu od 2 kutije, onda će jedna od njih biti prazna, a druga će imati loptu. Ali u mikrokosmosu (ako postoji atom umjesto lopte), atom može biti u dvije kutije u isto vrijeme. Ovo je više puta eksperimentalno potvrđeno. Nije li teško zamotati glavu oko ovoga? Ali ne možete se raspravljati sa činjenicama. Još jedan primjer. Snimili ste fotografiju brzog trkaćeg crvenog sportskog automobila i na fotografiji ste vidjeli mutnu horizontalnu prugu, kao da se automobil nalazio na nekoliko tačaka u prostoru u trenutku fotografije. Uprkos onome što vidite na fotografiji, i dalje ste sigurni da je auto bio na jednom određenom mestu u prostoru . U mikro svijetu je sve drugačije. Elektron koji rotira oko jezgra atoma zapravo ne rotira, već nalazi se istovremeno u svim tačkama sfere oko jezgra atoma. Kao labavo namotano klupko pahuljaste vune. Ovaj koncept u fizici se zove .

"elektronski oblak" Naučnici su prvi razmišljali o kvantnom svijetu kada je 1900. godine njemački fizičar Max Planck pokušao otkriti zašto metali mijenjaju boju kada se zagriju. On je bio taj koji je uveo koncept kvanta. Do tada su naučnici mislili da svjetlost putuje neprekidno. Prva osoba koja je ozbiljno shvatila Planckovo otkriće bio je tada nepoznati Albert Ajnštajn. Shvatio je da svetlost nije samo talas. Ponekad se ponaša kao čestica. Ajnštajn je dobio Nobelovu nagradu za otkriće da se svetlost emituje u delovima, kvantima. Kvant svjetlosti naziva se foton ( foton, Wikipedia) .

Da bismo lakše razumjeli kvantne zakone fizičari I mehanika (Wikipedia), moramo, na neki način, apstrahovati od zakona klasične fizike koji su nam poznati. I zamislite da ste zaronili, kao Alisa, u zečju rupu, u Zemlju čuda.

A evo i crtanog filma za djecu i odrasle. Opisuje fundamentalni eksperiment kvantne mehanike sa 2 proreza i posmatračem. Traje samo 5 minuta. Pogledajte prije nego što uronimo u osnovna pitanja i koncepte kvantne fizike.

Kvantna fizika za lutke video. U crtanom filmu obratite pažnju na "oko" posmatrača. To je postala ozbiljna misterija za fizičare.

Šta je kvantna fizika i kvantna mehanika?

Na početku crtanog filma, na primjeru tekućine, prikazano je kako se ponašaju valovi - na ekranu iza ploče s prorezima pojavljuju se naizmjenično tamne i svijetle okomite pruge. A u slučaju kada se diskretne čestice (na primjer, kamenčići) "pucaju" na ploču, one lete kroz 2 proreza i slijeću na ekran direktno nasuprot proreza. I oni "crtaju" samo 2 okomite trake na ekranu.

Interferencija svjetlosti- Ovo je "talasno" ponašanje svjetlosti, kada se na ekranu prikazuje mnogo naizmjeničnih svijetlih i tamnih vertikalnih pruga. I ove okomite pruge koji se naziva interferencijski obrazac.

U našem makrokosmosu često primjećujemo da se svjetlost ponaša kao talas. Ako stavite ruku ispred svijeće, tada na zidu neće biti jasna sjena od vaše ruke, već s mutnim konturama.

Dakle, nije sve tako komplikovano! Sada nam je sasvim jasno da svjetlost ima talasnu prirodu i ako su 2 proreza osvijetljena svjetlošću, onda ćemo na ekranu iza njih vidjeti interferencijski uzorak.

Instalacija opisana u crtiću nije bila obasjana svjetlošću, već je “pucana” elektronima (kao pojedinačnim česticama). Tada, početkom prošlog veka, fizičari širom sveta verovali su da su elektroni elementarne čestice materije i da ne bi trebalo da imaju talasnu prirodu, već istu kao i kamenčići. Na kraju krajeva, elektroni su elementarne čestice materije, zar ne? Odnosno, ako ih "bacite" u 2 proreza, poput kamenčića, onda bi na ekranu iza proreza trebali vidjeti 2 okomite pruge.

Ali... Rezultat je bio zapanjujući. Naučnici su vidjeli interferencijski obrazac - mnogo okomitih pruga. Odnosno, elektroni, kao i svjetlost, također mogu imati talasnu prirodu i mogu interferirati. S druge strane, postalo je jasno da svjetlost nije samo talas, već i mala čestica - foton (iz istorijske informacije na početku članka saznali smo da je Ajnštajn za ovo otkriće dobio Nobelovu nagradu).

Možda se sjećate, u školi su nam govorili o fizici "dualnost talas-čestica"? To znači da kada govorimo o vrlo malim česticama (atomima, elektronima) mikrokosmosa, onda oni su i talasi i čestice

Danas smo ti i ja tako pametni i razumijemo da su 2 gore opisana eksperimenta - pucanje elektronima i osvjetljavanje proreza svjetlom - ista stvar. Zato što ispaljujemo kvantne čestice na proreze. Sada znamo da su i svjetlost i elektroni kvantne prirode, da su i valovi i čestice u isto vrijeme. I početkom 20. veka rezultati ovog eksperimenta bili su senzacija.

Pažnja! Sada pređimo na suptilnije pitanje.

Mi sijamo struju fotona (elektrona) na naše proreze i vidimo interferencijski uzorak (vertikalne pruge) iza proreza na ekranu. Ovo je jasno. Ali nas zanima da vidimo kako svaki od elektrona leti kroz prorez.

Pretpostavlja se da jedan elektron leti u lijevi prorez, drugi u desni. Ali tada bi se 2 okomite trake trebale pojaviti na ekranu direktno nasuprot utora. Zašto nastaje obrazac interferencije? Možda elektroni na neki način interaguju jedni s drugima već na ekranu nakon što prolete kroz proreze. A rezultat je ovakav talasni uzorak. Kako to možemo pratiti?

Nećemo bacati elektrone u snop, već jedan po jedan. Bacimo ga, čekajmo, bacimo sljedeći. Sada kada elektron leti sam, više neće moći komunicirati s drugim elektronima na ekranu. Svaki elektron ćemo registrirati na ekranu nakon bacanja. Jedan ili dva nam, naravno, neće „naslikati“ jasnu sliku. Ali kada ih pošaljemo jedan po jedan u proreze, primijetit ćemo... o užas - opet su "nacrtali" interferencijski talasni uzorak!

Polako počinjemo da ludujemo. Uostalom, očekivali smo da će nasuprot utora biti 2 okomite pruge! Ispostavilo se da kada smo bacali fotone jedan po jedan, svaki od njih je prošao, takoreći, kroz 2 proreza u isto vrijeme i interferirao sam sa sobom.

Fantastično! Vratimo se objašnjavanju ovog fenomena u sljedećem dijelu.

Šta je spin i superpozicija?

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

Kao rezultat eksperimenta, kada smo bacili 1 foton u 2 proreza, shvatili smo da se činilo da leti kroz dva proreza u isto vrijeme. Inače, kako možemo objasniti obrazac interferencije na ekranu?

• Ali kako možemo zamisliti foton koji leti kroz dva proreza u isto vrijeme? Postoje 2 opcije. 1. opcija:
• foton, poput talasa (kao voda) istovremeno „lebdi” kroz 2 proreza 2. opcija:

foton, poput čestice, leti istovremeno duž 2 putanje (čak ne dvije, već sve odjednom)

U principu, ove izjave su ekvivalentne. Stigli smo do “integralnog puta”. Ovo je formulacija kvantne mehanike Richarda Feynmana. Usput, tačno Richard Feynman postoji dobro poznat izraz da

Sa sigurnošću možemo reći da niko ne razumije kvantnu mehaniku

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

Strogo govoreći, kvantna mehanika nam govori da je ovakvo ponašanje fotona pravilo, a ne izuzetak. Bilo koja kvantna čestica je, po pravilu, istovremeno u više stanja ili u više tačaka u prostoru.

Moramo samo priznati, kao aksiom, da "superpozicija" kvantnog objekta znači da on može biti na 2 ili više putanja u isto vrijeme, u 2 ili više tačaka u isto vrijeme

Isto važi i za drugi parametar fotona – spin (sopstveni ugaoni moment). Spin je vektor. Kvantni objekt se može zamisliti kao mikroskopski magnet. Navikli smo na činjenicu da je vektor magneta (spin) usmjeren ili gore ili dolje. Ali elektron ili foton nam opet govori: „Momci, nije nas briga na šta ste navikli, možemo biti u oba stanja okretanja odjednom (vektor gore, vektor dolje), baš kao što možemo biti na 2 putanje u u isto vrijeme ili na 2 točke u isto vrijeme!

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

Malo nam je ostalo da shvatimo šta je „merenje“, a šta „kolaps talasne funkcije“.

Talasna funkcija je opis stanja kvantnog objekta (naš foton ili elektron).

Pretpostavimo da imamo elektron, on leti do samog sebe u neodređenom stanju, njegov okret je usmjeren i gore i dolje u isto vrijeme. Moramo da izmerimo njegovo stanje.

Izmjerimo koristeći magnetno polje: elektroni čiji je spin bio usmeren u pravcu polja odstupaće u jednom smeru, a elektroni čiji je spin usmeren protiv polja - u drugom. Više fotona se može usmjeriti u polarizacijski filter. Ako je spin (polarizacija) fotona +1, on prolazi kroz filter, ali ako je -1, onda ne.

Stani! Ovdje ćete neminovno imati pitanje: Prije mjerenja, elektron nije imao nikakav specifičan smjer okretanja, zar ne? Bio je u svim državama u isto vrijeme, zar ne?

Ovo je trik i senzacija kvantne mehanike. Sve dok ne mjerite stanje kvantnog objekta, on se može rotirati u bilo kojem smjeru (imati bilo koji smjer vektora vlastitog ugaonog momenta - spin). Ali u trenutku kada ste mu mjerili stanje, čini se da donosi odluku koji spin vektor da prihvati.

Ovaj kvantni objekat je tako kul - donosi odluke o svom stanju. I ne možemo unaprijed predvidjeti kakvu će odluku donijeti kada uleti u magnetsko polje u kojem ga mjerimo. Vjerovatnoća da će odlučiti da ima vektor spina "gore" ili "dolje" je 50 do 50%. Ali čim se odluči, nalazi se u određenom stanju sa određenim smjerom okretanja. Razlog njegove odluke je naša “dimenzija”!

ovo se zove " kolaps valne funkcije". Talasna funkcija prije mjerenja bila je nesigurna, tj. vektor spina elektrona je bio istovremeno u svim pravcima nakon merenja, elektron je zabeležio određeni smer svog vektora spina.

Pažnja! Odličan primjer za razumijevanje je asocijacija iz našeg makrokosmosa:

Zavrtite novčić na stolu kao rotirajući vrh. Dok se novčić vrti, on nema određeno značenje - glava ili rep. Ali čim odlučite da "izmjerite" ovu vrijednost i udarite novčić rukom, tada ćete dobiti specifično stanje novčića - glave ili repa. Sada zamislite da ovaj novčić odlučuje koju će vam vrijednost "pokazati" - glavu ili rep. Elektron se ponaša na približno isti način.

Sada se prisjetite eksperimenta prikazanog na kraju crtića. Kada su fotoni prolazili kroz proreze, ponašali su se kao talas i pokazivali interferencijski obrazac na ekranu. A kada su naučnici hteli da snime (izmere) trenutak prolaska fotona kroz prorez i postavili „posmatrača“ iza ekrana, fotoni su počeli da se ponašaju ne kao talasi, već kao čestice. I "nacrtali" su 2 okomite pruge na ekranu. One. U trenutku mjerenja ili posmatranja, kvantni objekti sami biraju u kakvom će stanju biti.

Fantastično! Zar nije istina?

Ali to nije sve. Konačno mi Stigli smo do najzanimljivijeg dijela.

Ali... čini mi se da će doći do preopterećenja informacijama, pa ćemo ova 2 koncepta razmotriti u zasebnim postovima:

• sta se desilo?
• Šta je misaoni eksperiment?

Sada, da li želite da se informacije razvrstaju? Pogledajte dokumentarni film Kanadskog instituta za teorijsku fiziku. U njemu će vam za 20 minuta vrlo kratko i hronološkim redom biti ispričana sva otkrića kvantne fizike, počevši od Planckovog otkrića 1900. godine. A onda će vam reći koji se praktični razvoj trenutno provode na osnovu znanja iz kvantne fizike: od najpreciznijih atomskih satova do superbrzih proračuna kvantnog kompjutera. Toplo preporučujem gledanje ovog filma.

Vidimo se!

Želim svima inspiraciju za sve njihove planove i projekte!

P.S.2 Napišite svoja pitanja i mišljenja u komentarima. Napišite, koja vas još pitanja o kvantnoj fizici zanimaju?

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

Briljantni fizičar 20. vijeka Richard Feynman jednom je rekao da niko uopće ne razumije kvantnu fiziku. Zaista, naizgled kontraintuitivni fenomeni dualnosti talasa i čestica, kvantne interferencije, zapetljanosti i nelokalnosti zbunjivali su fizičare više od jednog veka. Andrej Kananin, filozof i kosmolog, krenuo je da, koristeći teoriju kvantne fizike i druga nedavna otkrića, potvrdi glavne odredbe Svetog pisma. Razgovor sa njim vodio je kolumnista radio stanice Radonjež Aleksandar Artamonov.

Kvantna fizika potvrđuje božansko biće

Andrey, reci nam šta je kvantna fizika? Da li je moderna nauka u suprotnosti s biblijskim pogledom na svijet? Takođe nam je važno da učimo o pogledu moderna nauka kosmologije o formiranju svemira.

Pokušat ćemo s vama razgovarati o najnovijim naučnim dostignućima i istovremeno, začudo, ove ideje potvrđuju duhovno porijeklo našeg svijeta.

Današnja naučna spoznaja o nastanku kosmosa i dinamici njegovog razvoja upućuju na to da su mnogi ljudski moralni problemi direktno povezani s pitanjem nastanka Univerzuma i procesa koji se u njemu dešavaju. Prostor se mnogima čini veoma opasnim mjestom koje ulijeva strah ili sumnju u nespremnu osobu - mnogi ljudi razmišljaju o beskonačnosti hladnog prostora, o beznačajnosti čovjeka na ovom svijetu. U stvari, ispostavilo se da to nije tako! Činjenica je da su svi napredni stručnjaci - napredni fizičari, kosmolozi, astrofizičari - uvjereni da se naš svemir ne sastoji od pojedinačni dijelovi, ali predstavlja jedinstven globalni složeni nedjeljiv Sistem čiji su svi dijelovi usko povezani. Tokom prošlog dvadesetog i sadašnjeg dvadeset prvog veka, najnovija naučna dostignuća potvrđuju ove zaključke.

Stvar je u tome da se pokazalo da su teorije Newtona, Einsteina, Darwina - i nije važno da li ih tumačimo ispravno ili ne - zastarjele. To je postalo jasno upravo na prijelazu stoljeća, kada je konačno postalo jasno da je naš svijet kvantan.

- Ispada da ono što nas uče u školi nije istina?

Ne bih oštro rekao da su Njutnovi zakoni pogrešni. Jednostavno dublje razumijevanje svijeta im omogućava da se prošire. Naravno, Newtonov zakon je tačan po tome što se Zemlja okreće oko Sunca. Ovo je zakon gravitacije. Ali s druge strane, najnovije čitanje zakona gravitacijske interakcije pokazuje da ne govorimo o haotičnoj rotaciji, već da je to duboko uređen proces.

Kako možemo razumjeti dokaz postojanja Stvoritelja koristeći kvantnu fiziku, ako ga, po vama, danas zaista razumije samo 5-8 ljudi na planeti?

Da, zakoni kvantne fizike su složeni. Ali svaka naučna disciplina se zasniva na određenim formulama, pa ako govorimo o matematičkom aparatu astrofizike, onda da - zaista, vrlo je, vrlo složen. U stvari, kvantna fizika se zasniva na tri osnovne ideje.

Općeprihvaćeno gledište je da isti njutnovski zakoni opisuju svijet na makroskopskom nivou – zvijezde, planete... Ali kvantna fizika opisuje svijet na mikroskopskom nivou. Odnosno, kvant je, u principu, elementarna čestica. Prvi kvantni eksperimenti izvedeni su davne 1801. godine! Odnosno, nauka već dugo pokušava da dođe do misterija kvantnih čuda. I to tačno u poslednjih godina Neka naučna dostignuća nam već omogućavaju da damo čisto naučnu ocjenu tih eksperimenata, od kojih su neki stari već 200 godina!

Govoreći o osnovnim postulatima kvantne fizike, prvo što treba reći je: kada su danas, uz pomoć savremenih sudarača, mikroskopa i sve opreme, počeli da se proučavaju kvanti, ispostavilo se da se, krećući se u svemiru , grubo krše opšteprihvaćene zakone fizike. Odnosno, grubo govoreći, čuda se dešavaju! Odnosno, pokazalo se da su čuda naučno moguća! Kvante krše brzinu svjetlosti, kreću se različitim putanjama, pojavljuju se niotkuda, nestaju u nigdje... Odnosno, krše opšteprihvaćene ortodoksne poglede na klasični svijet.

Dakle: 3 stuba kvantne fizike. Prvi postulat. Ispostavilo se da svijetom ne vlada sigurnost, već vjerovatnoća. Odnosno, anomalije u kretanju čestica nisu nemoguće, ali su malo vjerovatne. U našem svijetu malo vjerovatno se, po pravilu, ne dešava. U kvantnom svijetu to je moguće. Štaviše, samo rođenje Univerzuma treba prepoznati kao jedinstven i neobičan događaj. Možda sam trenutak Big Bang bila je čudesna kvantna tranzicija stanja materije iz jednog u drugo. Opet, okrećući se biblijskim tekstovima, pogledajte o čemu piše u Drugoj poslanici apostola Petra: „U Gospoda je jedan dan kao hiljadu godina“. To jest, Bog postoji izvan vremena i nije njime ograničen. U bezvremenskom prostoru, ovi izuzetni događaji postaju stvarnost. Ispada, po Božjoj Volji.

Drugi fascinantan kvantni efekat je međusobna povezanost čestica. Promjena u jednom kvantnom sistemu ima trenutni učinak na drugi. I to se ne odnosi na zaseban ured ili stan, već na cijeli Kosmos u cjelini. Odnosno, ako negdje promijenite kvantno stanje sistema, tada odmah može doći do efekta povezanosti u bilo kojem dijelu Kosmosa. Tako je kvantna fizika dokazala da je sve u našem svijetu međusobno povezano.

I na kraju, treća i posljednja tačka. Naučnici su otkrili da naš svijet ne može postojati bez razumnog posmatrača, odnosno bez osobe. Na kraju krajeva, sama kvantna fizika ne funkcioniše dok posmatrač ne postoji. Odnosno, čestica – ono što mi zovemo kvant – ne zauzima nikakvu specifičnu poziciju u materijalnom svijetu dok je neko ne pogleda. Ovo je jedinstveno kvantno svojstvo, takozvano svojstvo posmatrača. Odnosno, dok neko ne posmatra kvantnu česticu, nemoguće je reći gde se nalazi i kojom brzinom se kreće.

Odnosno, kvant može biti istovremeno u dvije tačke u prostoru, a tek kada posmatračev pogled padne na njega, može se snimiti gdje se trenutno nalazi.

Da! Apsolutno u pravu! Ispostavilo se da stvarnost postaje takva tek kada je neko produhovljuje. Naravno, ne možemo očima "gledati" kvant bez odgovarajuće opreme. Ali svojim duhovnim prisustvom u svijetu, kao inteligentni posmatrači, mi donosimo nešto u ovaj svijet, bez čega je nemoguće. U određenom smislu, mi to „oživljavamo“.

Logično je pretpostaviti da ako u našem svijetu postoji određeni entitet koji utiče na njegovu implementaciju, onda fizičari takav entitet mogu nazvati Superposmatračem. Ljudi daleko od kvantne fizike jednostavno će ga zvati Bogom ili Stvoriteljem, ovisno o njihovoj tački gledišta.

Najzanimljivije je da, vidite, hrišćanstvo potvrđuje ono što sam rekao Svetim pismom. U prvom dijelu Postanka nalazi se vrlo zanimljiv citat: „I reče Bog: „Načinimo čovjeka na svoju sliku i priliku!“ I neka vlada nad ribama morskim, nad pticama nebeskim, nad zvijerima, nad svom zemljom!” Odnosno, grubo govoreći, ispada da je Bog stvorio ovaj svijet za čovjeka - posmatrača ovog svijeta. I to je direktno rečeno u biblijskim tekstovima.

Možemo li zaključiti da kvantna fizika potvrđuje svrsishodnost i duhovnost prostora? Na kraju krajeva, kvant je i čestica i talas. On se kreće od nematerijalnog ka materijalnom.

Apsolutno u pravu! Postoji prijelaz iz nepostojanja u biće. Glavni zaključak kvantne fizike je sljedeći. Svijetom vlada vjerovatnoća. Drugo: sve na svijetu je međusobno povezano. Treće: naš svijet je nemoguć bez inteligentnog posmatrača.

Ovi postulati potvrđuju da u našem svijetu uvijek postoji alternativa. Način na koji izgledamo, način na koji zamišljamo prelazak nepostojanja u biće – to je alternativa. Šta je alternativa? Ovo je sloboda izbora.

Naravno, u Univerzumu postoje stroga pravila. naučni zakoni. Ali ti zakoni određuju samo vjerovatnoću jednog ili drugog razvoja događaja. A kakva će budućnost zapravo doći zavisi od toga kako će slobodna volja i izbor biti ostvareni od strane određenog inteligentnog bića.

Što je u suprotnosti sa teorijom determinizma. Takvi stavovi su uobičajeni među protestantima. Prema ovoj teoriji, sudbina svijeta je unaprijed određena i samo mi, vektorski koji puzi po neizmjerno malom dijelu džinovskog kruga, doživljavamo svoje kretanje kao pravolinijsko. Odnosno, samo mi ništa ne razumijemo, ali u stvari, sve je strogo određeno. Vjerujemo da postoji slobodna volja, ali u stvari, jednostavno nismo svjesni. Vi, pozivajući se na kvantnu fiziku, kažete da postoji nekoliko opcija za razvoj događaja, a mi i dalje imamo slobodnu volju...

Da, u pravu ste! Tu smo započeli razgovor s vama o tome da se, nažalost, i manje-više ispravni koncepti mogu zasnivati ​​na zastarjelim stavovima. Determinizam koji ste spomenuli odgovara naučnom pogledu na svijet prije pedeset godina. Ali kvantna fizika je bila ta koja je dokazala da je ovo netačan postulat. Kvantna fizika jasno pokazuje da u našem svijetu postoji alternativa. Štaviše, kvantna fizika pokazuje da je ova alternativa nemoguća bez inteligentnih bića. A ako inteligentna bića utiču na naš svet i imaju slobodnu volju, onda se ispostavlja da proces koji se ovde odvija nije unapred određen, već verovatan! Odnosno, iz ljudske volje i shvatanja šta je dobro, a šta zlo dolazi izvestan uticaj na svet.

Odnosno, ispada da bez prisustva Razuma – ne osobe, već upravo Božanskog Logosa – Univerzum jednostavno ne bi mogao postojati?

Da. A glavna stvar je da Univerzum nije ravnodušan zlokobni mehanizam u kojem nema mjesta kreativnost, a evolucija svemira je lišena bilo kakve svrhe ili značenja. Inače, besmisleno postojanje je jedan od oblika Zla, ako se okrenemo biblijskim tekstovima.

Govorim o nečem drugom. vidis, korisna svojstvaČovjek može pretvoriti metal u štetu udarajući ga - ne daj Bože! - tuđi nož! Teoretski, može se pretpostaviti da bi određena Esencija, određeni Kreator mogao stalno da se meša u te procese, pretvarajući iste noževe u... plišane igračke... Ali da li je takav svet zaista zanimljiv? Ovo je svijet automata u kojem nema mjesta za ljubav, osjećaje, i što je najvažnije, izbor! A kakav izbor osoba napravi – u korist dobra ili zla – već je njegov moralni imperativ. Sada shvatate koliko je bliska veza između ovih naših izbora i događaja koji se dešavaju i na mikro nivou u Univerzumu i na makro planu.

O kvantnoj fizici, mozgu, Gödelovoj teoremi i suđenjima s porotom. Aleksej Redozubov (2015)

Treći dio od tri predavanja o principima rada mozga. Predavanja su održana u klubu Klyuch (Sankt Peterburg). Ovaj razgovor snimljen je 9. januara 2015. godine u sklopu Pušačke sobe projekta Gutenberg. Format je bio nevjerovatno zgusnut (30 minuta), ispalo je kao zverkalica, ali ne i dosadna. Pa gdje je bez rezerve, na primjer, tvrdoglavo zvao Hawkinga Hawkinsa

Kvantna mehanika i filozofija

Govor doktora filoloških nauka, prof. Sevalnikova A.Yu. (Institut za filozofiju Ruske akademije nauka) u okviru otvorenog interdisciplinarnog seminara Moskovskog državnog univerziteta M.V. Lomonosova „Na preseku nauka i ideja“.

Secrets of the Universe: Epizoda 1 - Time Warp

Novi eksperiment mogao bi baciti svjetlo na iznenađujuću skrivenu mehaniku kvantnih superpozicija.

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

Veliko pitanje u kvantnoj mehanici na koje niko ne zna odgovor je: šta se zapravo dešava u superpoziciji – neobičnom stanju u kojem se čestice nalaze na dva ili više mesta ili stanja u isto vreme? Grupa istraživača iz Izraela i Japana predložila je eksperiment koji će nam konačno omogućiti da saznamo nešto precizno o prirodi ovog misterioznog fenomena.

Njihov eksperiment, za koji istraživači kažu da bi mogao biti završen u roku od nekoliko mjeseci, trebao bi omogućiti naučnicima da shvate gdje se objekt - u ovom konkretnom slučaju, čestica svjetlosti koja se zove foton - zapravo nalazi kada je u superpoziciji. Istraživači predviđaju da će odgovor biti još čudniji i šokantniji od “dva mjesta odjednom”.

Klasičan primjer superpozicije uključuje pucanje fotona kroz dva paralelna proreza u barijeri. Jedan od fundamentalnih aspekata kvantne mehanike je da se sitne čestice mogu ponašati poput valova, tako da one koje prolaze kroz jedan prorez "ometaju" one koje prolaze kroz drugi, njihovi valoviti talasi se međusobno povećavaju ili mijenjaju kako bi stvorili karakterističnu strukturu na ekranu detektora. . Čudna stvar je, međutim, da se ova interferencija javlja čak i ako se istovremeno ispali samo jedna čestica. Čini se da čestica prolazi kroz oba proreza odjednom. Ovo je superpozicija.

I ovo je vrlo čudno: mjerenje tačnog proreza kroz koji čestica prolazi uvijek pokazuje da ona prolazi samo kroz jedan prorez, u kom slučaju interferencija valova („kvantitet“, ako hoćete) nestaje. Čini se da sam čin mjerenja „razbija“ superpoziciju. " Znamo da se nešto čudno dešava u superpoziciji“, kaže fizičar Avshalom Elitzer sa Izraelskog instituta za napredne studije. “Ali ne možete to izmjeriti. To je ono što kvantnu mehaniku čini tako misterioznom."

Decenijama su istraživači zaglavili u ovom očiglednom ćorsokaku. Oni ne mogu tačno reći šta je superpozicija bez da je posmatraju; ali ako pokušaju da ga pogledaju, nestaće. Jedno moguće rješenje, koje su razvili Elicurov bivši mentor, izraelski fizičar Yakir Aharonov sa Univerziteta Chapman, i njegovi saradnici, nudi način da naučite nešto o kvantnim česticama prije mjerenja. Aharonov pristup se naziva formalizmom dva stanja (TSVF) kvantne mehanike, a postulati kvantnih događaja su na neki način određeni kvantnim stanjima ne samo u prošlosti, već iu budućnosti. To jest, TSVF pretpostavlja da kvantna mehanika radi isto i naprijed i nazad u vremenu. U ovom pogledu, čini se da uzroci mogu da se protežu unazad u vremenu, nastaju nakon efekata.

Ali ovaj čudan koncept ne treba shvatiti doslovno. Umjesto toga, u TSVF-u je moguće steći retrospektivno znanje o tome šta se dogodilo u kvantnom sistemu: umjesto jednostavnog mjerenja gdje čestica završava, istraživač bira određenu lokaciju za pretraživanje. Ovo se zove post-selekcija i pruža više informacija od bilo kakvog apsolutnog pogleda na rezultate. To je zato što se stanje čestice u bilo kojem trenutku procjenjuje retrospektivno u svjetlu njene cjelokupne povijesti do i uključujući mjerenje. Ispostavilo se da istraživač – jednostavnim odabirom određenog rezultata za traženje – tada dolazi do zaključka da bi se rezultat trebao dogoditi. To je pomalo kao da uključite TV u trenutku kada se vaš omiljeni program emituje, ali sama vaša akcija uzrokuje da se taj program emituje baš u tom trenutku. "Općenito je prihvaćeno da je TSVF matematički ekvivalentan standardnoj kvantnoj mehanici", kaže David Wallace, filozof nauke na Univerzitetu Južne Kalifornije koji se specijalizirao za tumačenje kvantne mehanike. “Ali to dovodi do toga da se neke stvari ne vide drugačije.”

Uzmimo, na primjer, verziju dvosekundnog eksperimenta koji su razvili Aharonov i njegov saradnik Lev Vaidman 2003. godine, a koji su interpretirali koristeći TSVF. Par je opisao (ali nije izgradio) optički sistem u kojem jedan foton djeluje kao "zatvarač" koji zatvara prorez, uzrokujući da se drugi "probni" foton približava prorezu da bi se reflektirao natrag kako se pojavio. Nakon mjerenja probnog fotona, kao što su pokazali Aharonov i Vaidman, može se primijetiti fotografija zatvarača u superpoziciji, zatvarajući istovremeno (ili čak proizvoljno mnogo) proreza u isto vrijeme. Drugim riječima, ovaj misaoni eksperiment bi, u teoriji, omogućio da se sa sigurnošću kaže da je foton zatvarača istovremeno "ovdje" i "tamo". Iako ova situacija izgleda paradoksalno iz našeg svakodnevnog iskustva, to je jedan dobro proučen aspekt takozvanih "nelokalnih" svojstava kvantnih čestica gdje se rastvara cijeli koncept dobro definirane pozicije u prostoru.

Godine 2016. fizičari Rio Okamoto i Shigeki Takeuchi sa Univerziteta Kyoto eksperimentalno su potvrdili predviđanja Aharonova i Vaidmana koristeći svjetlo vođeno kolo u kojem se zatvarač fotografira pomoću kvantnog rutera, uređaja koji omogućava jednom fotonu da kontrolira putanju drugog. "Ovo je bio revolucionarni eksperiment koji je omogućio da se čestica pozicionira na dva mjesta u isto vrijeme", kaže Eliahu Cohen sa Univerziteta Ottawa u Ontariju, Elitzurov kolega.

Sada su se Elitzur i Cohen udružili s Okamotom i Takeuchijem kako bi smislili još zapanjujući eksperiment. Vjeruju da će ovo omogućiti istraživačima da pouzdano saznaju više o lokaciji čestice u superpoziciji u nizu različitih vremenskih trenutaka prije nego što se izvrše bilo kakva stvarna mjerenja.

Ovoga puta, putanja fotona sonde biće podeljena na tri dela ogledalima. Duž svake od ovih putanja može komunicirati sa fotonom kapije u superpoziciji. Može se smatrati da su ove interakcije napravljene u kutijama označenim A, B i C, a svaka se nalazi duž svake od tri mogući načini foton. Uzimajući u obzir samointerferenciju fotona sonde, biće moguće retrospektivno sa sigurnošću zaključiti da je čestica kapije bila u datoj kutiji u određeno vrijeme.

Eksperiment je dizajniran tako da test foton može pokazati interferenciju samo ako stupi u interakciju s fotonom kapije u određenom nizu mjesta i vremena: naime, ako je foton kapije bio u oba bloka A i C u nekom trenutku (t1), tada u kasnijem trenutku (t2) - samo u C, a u još kasnijem vremenu (t3) - i na B i C. Dakle, interferencija u fotonu sonde bi bila definitivan znak da foton kapije zapravo prolazi kroz ovu čudnu sekvencu različitih pojava među kutijama u različito vrijeme - ideja Elicura, Cohena i Aharonova, koji su prošle godine predložili da jedna čestica prođe kroz tri kutije istovremeno. „Sviđa mi se kako se u ovom radu postavljaju pitanja o tome šta se dešava u smislu čitave istorije, a ne trenutnih stanja“, kaže fizičar Ken Wharton sa Državnog univerziteta San Hoze, koji nije uključen u novi projekat. "Razgovor o 'državama' je stara sveprisutna pristrasnost, dok su pune priče obično mnogo bogatije i zanimljivije."

To je upravo ono čemu Elitzur tvrdi da novi TSVF eksperiment pruža pristup. Očigledno nestajanje čestica na jednom mjestu u isto vrijeme - i njihovo ponovno pojavljivanje na drugim mjestima i u drugim vremenima - sugerira novi i neobičan uvid u temeljne procese povezane s nelokalnim postojanjem kvantnih čestica. Kroz TSVF sočivo, kaže Elitzur, ovo treperavo postojanje koje se stalno mijenja može se shvatiti kao niz događaja u kojima je prisustvo čestice na jednom mjestu nekako "poništeno" od strane vlastite "suprotne strane" na istom mjestu. On to upoređuje sa konceptom koji je uveo britanski fizičar Paul Dirac 1920-ih, koji je tvrdio da čestice imaju antičestice i, ako se spoje, čestica i antičestica mogu uništiti jedna drugu. Ova slika je u početku izgledala kao samo način govora, ali je ubrzo dovela do otkrića antimaterije. Nestanak kvantnih čestica nije "anihilacija" u istom smislu, ali je donekle analogan - ove navodne suprotne čestice, vjeruje Elitzur, moraju imati negativnu energiju i negativnu masu, što im omogućava da ponište svoje parnjake.

Dakle, dok se tradicionalna superpozicija "dva mjesta odjednom" može činiti prilično čudnom, "možda je superpozicija kolekcija stanja koja je još luđa", kaže Elitzur. “Kvantna mehanika vam samo govori njihovo prosječno stanje.” Naknadni odabir omogućava da se samo neka od ovih stanja izoluju i testiraju u većoj rezoluciji, sugeriše on. Takvo tumačenje kvantnog ponašanja bilo bi, prema njegovim riječima, „revolucionarno“ jer bi povlačilo za sobom dosad neprihvatljivu zvjerinjak stvarnih (ali vrlo čudnih) stanja u osnovi kontradiktornih kvantnih fenomena.

Istraživači kažu da će izvođenje stvarnog eksperimenta zahtijevati fino podešavanje performansi njihovih kvantnih rutera, ali se nadaju da će njihov sistem biti spreman za to za tri do pet mjeseci. Dok ga neki posmatrači čekaju suspregnuti dah. "Eksperiment bi trebao uspjeti", kaže Wharton, "ali nikoga neće uvjeriti jer rezultate predviđa standardna kvantna mehanika." Drugim riječima, nema dobrog razloga da se rezultat tumači u smislu TSVF-a.

Elitzur se slaže da je njihov eksperiment mogao biti dizajniran koristeći općeprihvaćeni pogled na kvantnu mehaniku koji je vladao prije nekoliko desetljeća, ali to nikada nije bio slučaj. " Nije li ovo dobar pokazatelj pouzdanosti TSVF-a?? - pita on. I samo u slučaju da neko misli da može formulirati drugačiju sliku o tome "šta se zapravo događa" u ovom eksperimentu koristeći standardnu ​​kvantnu mehaniku, on dodaje: " U redu, neka pokušaju!»

Postoji mnogo mjesta za početak ove rasprave, a ovo je jednako dobro kao i svako drugo: sve u našem svemiru je u prirodi i čestica i talasa. Kada bi se za magiju moglo reći: „Sve su to talasi i ništa osim talasa“, to bi bio divno poetski opis kvantne fizike. U stvari, sve u ovom svemiru ima talasnu prirodu.

Naravno, i sve u Univerzumu je po prirodi čestica. Zvuči čudno, ali jeste.

Opisivanje stvarnih objekata kao čestica i valova u isto vrijeme biće donekle netačno. Strogo govoreći, objekti koje opisuje kvantna fizika nisu čestice i valovi, već pripadaju trećoj kategoriji, koja nasljeđuje svojstva talasa (frekvenciju i talasnu dužinu, zajedno sa širenjem u prostoru) i neka svojstva čestica (mogu se prebrojati). i lokalizovan do određenog stepena). Ovo dovodi do žive debate u zajednici fizičara o tome da li je uopšte ispravno govoriti o svetlosti kao čestici; ne zato što postoji kontroverza oko toga da li svetlost ima prirodu čestica, već zato što je nazivanje fotona „česticama“ a ne „pobudama kvantnog polja“ pogrešno za studente. Međutim, to se odnosi i na to da li se elektroni mogu nazvati česticama, ali takvi sporovi će ostati u čisto akademskim krugovima.

Ova „treća“ priroda kvantnih objekata odražava se u ponekad zbunjujućem jeziku fizičara koji raspravljaju o kvantnim fenomenima. Higsov bozon je otkriven na Velikom hadronskom sudaraču kao čestica, ali verovatno ste čuli frazu "Higsovo polje", tu delokalizovanu stvar koja ispunjava sav prostor. To se događa zato što je pod određenim uvjetima, kao što su eksperimenti sudara čestica, prikladnije raspravljati o pobudama Higgsovog polja umjesto definiranju karakteristika čestice, dok je pod drugim uvjetima, kao što su opće rasprave o tome zašto određene čestice imaju masu, prikladnije je prikladnije raspravljati o fizici u smislu interakcije s kvantnim poljem univerzalnih proporcija. To je jednostavno različitim jezicima, opisujući iste matematičke objekte.

Kvantna fizika je diskretna

Sve je to u ime fizike - riječ "kvant" dolazi od latinskog "koliko" i odražava činjenicu da kvantni modeli uvijek uključuju nešto što dolazi u diskretnim količinama. Energija sadržana u kvantnom polju je višestruka od neke fundamentalne energije. Što se tiče svjetlosti, ovo je povezano sa frekvencijom i talasnom dužinom svjetlosti - visokofrekventna svjetlost kratkotalasne dužine ima ogromnu karakterističnu energiju, dok niskofrekventna, dugovalna svjetlost ima malo karakteristične energije.

U oba slučaja, međutim, ukupna energija sadržana u zasebnom svjetlosnom polju je cijeli umnožak ove energije - 1, 2, 14, 137 puta - i nema čudnih razlomaka kao što su jedan i po, "pi" ili kvadrat korijen od dva. Ovo svojstvo se uočava i kod diskretnih energetskih nivoa atoma, a energetske zone su specifične - neke energetske vrijednosti su dozvoljene, druge nisu. Atomski satovi rade zahvaljujući diskretnosti kvantne fizike, koristeći frekvenciju svjetlosti povezana s prijelazom između dva dozvoljena stanja u cezijumu, što omogućava da se vrijeme održi na nivou potrebnom za „drugi skok“.

Ultra-precizna spektroskopija se također može koristiti za traženje stvari kao što su tamne materije i ostaje dio motivacije za rad Instituta za fundamentalnu fiziku niskih energija.

Ovo nije uvijek očigledno - čak i neke stvari koje su u principu kvantne, poput zračenja crnog tijela, povezane su s kontinuiranim distribucijama. Ali nakon detaljnijeg ispitivanja i kada je uključen duboki matematički aparat, kvantna teorija postaje još čudnija.

Kvantna fizika je probabilistička

Jedan od najiznenađujućih i (barem istorijski) kontroverznih aspekata kvantne fizike je da je nemoguće sa sigurnošću predvideti ishod jednog eksperimenta sa kvantnim sistemom. Kada fizičari predviđaju ishod određenog eksperimenta, njihovo predviđanje ima oblik vjerovatnoće pronalaženja svakog od konkretnih mogućih ishoda, a poređenja između teorije i eksperimenta uvijek uključuju izvođenje distribucije vjerovatnoće iz mnogih ponovljenih eksperimenata.

Matematički opis kvantnog sistema obično ima oblik "talasne funkcije" predstavljene psi jednačinama grčke bukve: Ψ. Postoji mnogo debata o tome šta je tačno talasna funkcija, a ona je podelila fizičare u dva tabora: one koji talasnu funkciju vide kao stvarnu fizičku stvar (ontički teoretičari) i one koji veruju da je talasna funkcija čisto izraz našeg znanja (ili nedostatak istog) bez obzira na osnovno stanje pojedinačnog kvantnog objekta (epistemički teoretičari).

U svakoj klasi osnovnog modela, vjerovatnoća pronalaženja rezultata nije određena direktno valnim funkcijama, već kvadratom valne funkcije (grubo govoreći, sve je isto; valna funkcija je složen matematički objekt (i stoga uključuje imaginarne brojeve poput kvadratnog korijena ili njegove negativne verzije), a operacija dobivanja vjerovatnoće je malo složenija, ali je „valna funkcija na kvadrat“ dovoljna za razumijevanje osnovne ideje). Ovo je poznato kao Bornovo pravilo, po njemačkom fizičaru Maxu Bornu, koji ga je prvi izračunao (u fusnoti u radu iz 1926.) i iznenadio mnoge ljude svojom ružnom inkarnacijom. U toku je aktivan rad na pokušaju da se Born pravilo izvede iz fundamentalnijeg principa; ali do sada nijedan od njih nije bio uspješan, iako su generirali mnogo zanimljivih stvari za nauku.

Ovaj aspekt teorije nas također dovodi do toga da su čestice u više stanja u isto vrijeme. Sve što možemo predvidjeti je vjerovatnoća, a prije mjerenja sa određenim rezultatom, sistem koji se mjeri nalazi se u srednjem stanju – stanju superpozicije koje uključuje sve moguće vjerovatnoće. Ali da li sistem zaista postoji u više stanja ili je u jednom nepoznatom zavisi od toga da li više volite ontički ili epistemički model. Oba nas vode do sljedeće tačke.

Kvantna fizika nije lokalna

Ovaj drugi nije bio široko prihvaćen kao takav, uglavnom zato što je pogriješio. U radu iz 1935. godine, zajedno sa svojim mladim kolegama Borisom Podolkyjem i Nathanom Rosenom (EPR rad), Ajnštajn je dao jasnu matematičku izjavu o nečemu što ga je mučilo već neko vreme, što mi nazivamo "upletenost".

EPR-ov rad je tvrdio da je kvantna fizika prepoznala postojanje sistema u kojima mjerenja izvršena na široko razdvojenim lokacijama mogu korelirati tako da ishod jednog određuje drugo. Oni su tvrdili da to znači da se rezultati mjerenja moraju unaprijed odrediti nekim zajedničkim faktorom, jer bi u suprotnom rezultat jednog mjerenja morao biti prenošen na mjesto drugog pri brzinama većim od brzine svjetlosti. Stoga kvantna fizika mora biti nepotpuna, aproksimacija dublje teorije (teorije „skrivene lokalne varijable“, u kojoj rezultati pojedinačnih mjerenja ne ovise o nečemu što je dalje od mjesta mjerenja od signala koji putuje brzinom svjetlost može pokriti (lokalno), već je određena nekim faktorom zajedničkim za oba sistema u isprepletenom paru (skrivena varijabla).

Sve se ovo smatralo nejasnom fusnotom više od 30 godina jer se činilo da ne postoji način da se to testira, ali sredinom 60-ih irski fizičar John Bell je detaljnije razradio implikacije EPR-a. Bell je pokazao da možete pronaći okolnosti u kojima će kvantna mehanika predvidjeti korelacije između udaljenih mjerenja koje će biti jače od bilo koje moguće teorije poput onih koje su predložili E, P i R. Ovo su eksperimentalno testirali 70-ih John Kloser i Alain Aspect u ranih 80-ih godina x - pokazali su da se ovi zapleteni sistemi ne mogu potencijalno objasniti nijednom teorijom skrivenih varijabli.

Najčešći pristup razumijevanju ovog rezultata je pretpostavka da je kvantna mehanika nelokalna: da rezultati mjerenja na određenoj lokaciji mogu ovisiti o svojstvima udaljenog objekta na način koji se ne može objasniti korištenjem signala koji putuju brzinom svjetlo. Ovo, međutim, ne dozvoljava da se informacije prenose superluminalnim brzinama, iako su učinjeni mnogi pokušaji da se ovo ograničenje prevaziđe korišćenjem kvantne nelokalnosti.

Kvantna fizika se (skoro uvijek) bavi vrlo malim

Kvantna fizika ima reputaciju čudne jer se njena predviđanja radikalno razlikuju od našeg svakodnevnog iskustva. To je zato što njegovi efekti postaju manje izraženi što je objekt veći – teško ćete vidjeti valno ponašanje čestica i kako se valna dužina smanjuje s povećanjem momenta. Talasna dužina makroskopskog objekta kao što je pas koji šeta je tako smiješno mala da kada biste svaki atom u prostoriji povećali na veličinu Sunčevog sistema, valna dužina psa bila bi veličina jednog atoma te veličine. solarni sistem.

To znači da su kvantni fenomeni uglavnom ograničeni na skalu atoma i osnovnih čestica čije su mase i ubrzanja dovoljno male da valna dužina ostane tako mala da se ne može direktno promatrati. Međutim, ulaže se mnogo napora da se poveća veličina sistema koji pokazuje kvantne efekte.

Kvantna fizika nije magija

Prethodna tačka nas sasvim prirodno dovodi do ovoga: ma koliko kvantna fizika izgledala čudno, ona očigledno nije magija. Ono što postulira čudno je prema standardima svakodnevne fizike, ali je strogo ograničeno dobro shvaćenim matematičkim pravilima i principima.

Dakle, ako vam neko dođe sa "kvantnom" idejom koja izgleda nemoguće - beskonačna energija, magična iscjeljujuća moć, nemoguće svemirske mašine - gotovo je sigurno nemoguće. To ne znači da ne možemo koristiti kvantnu fiziku da radimo nevjerovatne stvari: stalno pišemo o nevjerovatnim otkrićima koristeći kvantne fenomene koji su već iznenadili čovječanstvo, to samo znači da nećemo ići dalje od zakona termodinamike i zdravog razuma .

Ako vam se gore navedene tačke ne čine dovoljnim, smatrajte da je ovo samo korisna polazna tačka za dalju diskusiju.