Vraćanje automobila pod garancijom ili kvantna fizika za lutke.

Recimo da je 3006. godina. Odeš na "povezano" i kupiš jeftin kineski vremeplov na rate na 600 godina. Želite da se ušunjate za nedelju dana unapred da pobedite kladionicu. U iščekivanju velikog džekpota, mahnito upisujete datum dolaska na plavoj plastičnoj kutiji...

I evo smeha: u njemu pregoreva Nikadim-hronon pretvarač. Mašina, izgovarajući smrtonosnu škripu, baca vas u godinu 62342. Čovječanstvo je bilo podijeljeno na kolekcionare i aglomerate i rasuto po udaljenim galaksijama. Sunce je rasprodato vanzemaljcima, Zemljom vladaju džinovski radioaktivni silicijumski crvi. Atmosfera je mješavina fluora i hlora. Temperatura je minus 180 stepeni. Zemlja je erodirala, a vi, osim toga, padate na stijenu od kristala fluorita sa petnaest metara udaljenosti. Na svom posljednjem izdisaju, ostvarujete svoje građansko galaktičko pravo da uputite jedan intertemporalni poziv svom privjesku za ključeve. Pozovite "povezani" centar za tehničku podršku, gdje vas ljubazni robot obavještava da je garancija na vremeplov 100 godina i da je u svoje vrijeme u besprijekornom stanju, a na 62342 ste dobili neizreciv iznos od milion penija od strane mehanizam ljudskog govora za nikad ne plaćen jednom na rate.

Blagoslovi i spasi! Gospode, hvala ti što živimo u ovoj ustajaloj medvjeđi prošlosti, gdje su takve prilike nemoguće!
…Mada, ne! Samo većina velikih naučnim otkrićima ne daju tako epske rezultate kako se to čini raznim piscima naučne fantastike.

Laseri ne spaljuju gradove i planete - oni snimaju i prenose informacije, zabavljaju školarce. Nanotehnologija ne pretvara svemir u samoreplicirajuću hordu nanobota. Oni čine kabanicu vodootpornijim, a beton izdržljivijim. Atomska bomba, eksplodiranog u moru nikada nije pokrenulo lančanu reakciju termonuklearne fuzije jezgri vodika i pretvorilo nas u još jedno sunce. Hadronski sudarač nije planetu okrenuo naopačke i odvukao cijeli svijet u crnu rupu. Vještačka inteligencija je već stvorena, ali ona samo ismijava ideju uništenja čovječanstva.
Vremenska mašina nije izuzetak. Činjenica je da je nastala sredinom prošlog veka. Nije građen kao cilj sam po sebi, već samo kao alat za stvaranje jednog malog, neupadljivog, ali vrlo izvanrednog uređaja.

Svojevremeno je profesor Dmitrij Nikolajevič Gračev bio veoma zbunjen pitanjem stvaranja efektivna sredstva zaštita od radio emisija. Zadatak se na prvi pogled činio nemogućim - uređaj za svaki radio talas morao je da odaje svoj kao odgovor na isti, a da pritom ne bude vezan za izvor signala (pošto je neprijatelj). Dmitrij Nikolajevič je jednom gledao djecu kako se igraju "izbacivača" u dvorištu. Utakmicu dobija najspretniji, koji najefikasnije izmiče loptu. To zahtijeva koordinaciju, i što je najvažnije, sposobnost predviđanja putanje lopte.

Sposobnost predviđanja je određena računarskim resursom. Ali u našem slučaju povećanje računarskih resursa neće dovesti ni do čega. Čak ni najmoderniji superkompjuteri neće imati dovoljno brzine i tačnosti za to. Radilo se o predviđanju spontanog procesa brzinom poluciklusa mikrotalasnog - radio talasa.

Profesor je pokupio loptu koja je odletela u žbunje i bacila je nazad deci. Zašto predviđati kuda lopta ide kada je već stigla? Izlaz je pronađen: karakteristike nepoznatog ulaznog radio signala su dobro poznate u bliskoj budućnosti i jednostavno ih nema potrebe izračunati. Dovoljno ih je izmjeriti direktno tamo. Ali ovdje je problem - nemoguće je pomjeriti se u vremenu čak ni za nanosekundu. Međutim, to nije bilo potrebno za ovaj zadatak. Potrebno je samo da osjetljivi element uređaja - tranzistor - bude u bliskoj budućnosti, barem djelomično. I tu je nedavno otkriveni fenomen kvantne superpozicije priskočio u pomoć. Njegovo značenje je da ista čestica može biti na različitim mjestima iu različito vrijeme u isto vrijeme.

Kao rezultat toga, profesor Gračev je stvorio Mass-Oriented Quantum Electronic Trap - stvarnu vremensku mašinu, u kojoj je po prvi put stvoren poluprovodnički čip, od kojih su neki elektroni u budućnosti i istovremeno u sadašnjosti. Prototip istog TMA - čip koji kontrolira Grachev rezonator. Moglo bi se reći da će ova stvar uvijek biti jednom nogom u budućnosti.

Evo danima sam vodio razgovor na tu temu kvantno brisanje odloženog izbora, čak ni ne toliko rasprava koliko strpljivo objašnjenje osnova kvantne fizike od strane mog divnog prijatelja dr_tambowskyja. Pošto nisam dobro predavao fiziku u školi, a u starosti sam bio vučen, upijam to kao sunđer. Odlučio sam da sakupim objašnjenja na jednom mjestu, možda nekom drugom.

Za početak, preporučujem gledanje crtanog filma za djecu o smetnjama i obraćanje pažnje na "oko". Jer u stvari je to cijela zamka.

Tada možete početi čitati tekst iz dr_tambowsky, koji u nastavku dajem u cijelosti, ili, ko je pametan i pametan, može ga pročitati odmah. I bolje od oboje.

Šta je smetnja.
Zaista postoji mnogo raznih termina i koncepata i oni su veoma zbrkani. Idemo redom. Prvo, postoji interferencija kao takva. Postoji mnogo primjera smetnji i postoji mnogo različitih interferometara. Poseban eksperiment koji se stalno ljulja i koji se često koristi u ovoj nauci o brisanju (uglavnom zato što je jednostavan i zgodan) su dva proreza isečena jedan pored drugog, paralelna jedan s drugim, na neprozirnom ekranu. Za početak, obasjajmo svjetlo na takav dvostruki prorez. Svetlost je talas, zar ne? I mi stalno posmatramo interferenciju svetlosti. Vjerujte da ako obasjate svjetlo na ova dva proreza i stavite ekran (ili samo zid) na drugu stranu, onda ćemo na ovom drugom ekranu također vidjeti interferencijski uzorak - umjesto dvije svijetle tačke svjetlosti “prolazeći kroz proreze” na drugom ekranu (zidu) biće ograda od naizmjeničnih svijetlih i tamnih pruga. Još jednom napominjemo da se radi o svojstvu čistog talasa: ako bacimo kamenje, onda će oni koji upadnu u proreze nastaviti da lete pravo i udariće u zid svaki iza svog proreza, odnosno videćemo dve nezavisne gomile kamenje (ako se zalijepi za zid, naravno 🙂), nema smetnji.

Dalje, zapamtite, u školi su učili o „dualizmu čestica-talas”? Da kada je sve vrlo malo i vrlo kvantno, onda su objekti i čestice i valovi u isto vrijeme? U jednom od poznatih eksperimenata (Stern-Gerlach eksperiment) 20-ih godina prošlog stoljeća koristili su istu postavku kao što je gore opisano, ali umjesto svjetlosti sijali su ... elektronima. Pa, to jest, elektroni su čestice, zar ne? Odnosno, ako se "bace" na dvostruki utor, poput kamenčića, onda ćemo na zidu iza proreza vidjeti šta? Odgovor nisu dvije odvojene tačke, već opet uzorak interferencije!! To jest, elektroni također mogu interferirati.

S druge strane, ispostavlja se da svjetlost nije baš talas, već malo i čestica - foton. To jest, sada smo toliko pametni da razumijemo da su dva gore opisana eksperimenta ista stvar. Bacamo (kvantne) čestice na proreze, a čestice na tim prorezima interferiraju - na zidu su vidljive naizmjenične pruge ("vidljive" - ​​u smislu kako tamo registriramo fotone ili elektrone, same oči za to nisu potrebne 🙂).

Sada, naoružani ovom univerzalnom slikom, postavimo sljedeće, suptilnije pitanje (pažnja, vrlo važno!!):
Kada obasjamo naše fotone/elektrone/čestice na prorezima, vidimo interferencijski uzorak s druge strane. Divno. Ali šta se dešava sa jednim fotonom/elektronom/pi-mezonom? [i od sada, hajde da pričamo - čisto radi pogodnosti - samo o fotonima]. Uostalom, ova opcija je moguća: svaki foton leti poput kamenčića kroz svoj prorez, odnosno ima dobro definiranu putanju. Ovaj foton leti kroz lijevi prorez. I onaj tamo desno. Kada ovi fotoni-kamenčići, prateći svoje specifične putanje, stignu do zida iza proreza, oni na neki način stupaju u interakciju jedni s drugima, a kao rezultat te interakcije, interferentni obrazac se pojavljuje već na samom zidu. Do sada, ništa u našim eksperimentima nije u suprotnosti s ovom interpretacijom - na kraju krajeva, kada obasjamo jarku svjetlost na prorez, šaljemo mnogo fotona odjednom. Pas zna šta tamo rade.

Imamo odgovor na ovo važno pitanje. Možemo baciti jedan po jedan foton. Odustali su. Čekali smo. Ispustio je sljedeći. Pažljivo gledamo u zid i primjećujemo gdje ovi fotoni stižu. Jedan foton, naravno, u principu ne može stvoriti vidljivi interferencijski obrazac – on je jedan, a kada ga registrujemo, možemo ga vidjeti samo na određenom mjestu, a ne svuda odjednom. Međutim, da se vratimo na analogiju sa kamenčićima. Evo jednog kamenčića. Udario je u zid iza jednog proreza (onog kroz koji je proleteo, naravno). Evo još jednog - opet zakucano iza proreza. Sjedimo. Smatramo. Nakon nekog vremena i bacanja dovoljno kamenčića, dobit ćemo distribuciju - vidjet ćemo da je puno kamenčića udarilo u zid iza jednog proreza, a mnogo iza drugog. I nigde drugde. Isto radimo i sa fotonima - bacamo ih jedan po jedan i polako brojimo koliko je fotona doletjelo do svakog mjesta na zidu. Polako poludimo, jer rezultirajuća distribucija udarnih frekvencija fotona uopće nije dvije točke ispod odgovarajućih proreza. Ova distribucija tačno ponavlja obrazac interferencije koji smo videli kada smo sijali jakom svetlošću. Ali fotoni su sada pristizali jedan po jedan! Jedan je danas. Sledeći je sutra. Nisu mogli da komuniciraju jedno sa drugim na zidu. To jest, u potpunom skladu sa kvantnom mehanikom, jedan, odvojeni foton je istovremeno talas i ništa mu nije strano od talasa. Foton u našem eksperimentu nema određenu putanju - svaki pojedinačni foton prolazi kroz oba proreza odjednom i, takoreći, interferira sam sa sobom. Možemo ponoviti eksperiment, ostavljajući samo jedan prorez otvoren - tada će se fotoni, naravno, skupiti iza njega. Zatvorimo prvi, otvorimo drugi, i dalje bacajući fotone jedan po jedan. Skupljaju se, naravno, ispod drugog, otvorenog, jaza. Otvaramo oba – rezultirajuća raspodjela mjesta na kojima se fotoni vole skupljati nije zbir raspodjela dobijenih kada je samo jedan prorez bio otvoren. Oni su sada još uvijek skupljeni između pukotina. Tačnije, njihova omiljena mjesta za grupisanje sada su naizmjenične pruge. U ovom se skupljaju, u sljedećem ne, opet, da, tamno, svijetlo. Ah, smetnje...

Šta je superpozicija i spin.
Dakle. Pretpostavljamo da razumijemo sve o smetnji kao takvoj. Pogledajmo superpoziciju. Ne znam kako si sa kvantnom mehanikom, izvini. Ako je loše, onda morate mnogo da uzmete u vjeru, teško je to objasniti ukratko.

Ali u principu, već smo bili negdje u blizini - kada smo vidjeli da pojedinačni foton, takoreći, leti kroz dva proreza odjednom. Može se jednostavno reći: foton nema putanju, talas i talas. I možemo reći da foton istovremeno leti po dvije putanje (strogo govoreći, ne čak dvije, naravno, već odjednom). Ovo je ekvivalentna izjava. U principu, ako slijedimo ovaj put do kraja, onda ćemo doći do "integralnog puta" - Feynmanove formulacije kvantne mehanike. Ova formulacija je nevjerovatno elegantna i jednako složena, te ju je teško koristiti u praksi, posebno njome objasniti osnove. Dakle, nećemo ići do kraja, već ćemo meditirati o fotonu koji leti "po dvije putanje odjednom". U smislu klasičnih koncepata (a putanja je dobro definiran klasični koncept, ili kamen leti naprijed ili mimo), foton je u različitim stanjima u isto vrijeme. Opet, putanja nije baš ono što nam treba, ciljevi su nam jednostavniji, samo pozivam da shvatimo i osjetimo činjenicu.

Kvantna mehanika nam govori da je ova situacija pravilo, a ne izuzetak. Bilo koja kvantna čestica može biti (i obično jeste) u "nekoliko stanja" odjednom. Zapravo, ovu izjavu ne treba shvatiti previše ozbiljno. Ova "više stanja" su zapravo naša klasična intuicija. Definiramo različita “stanja” na osnovu nekih naših (vanjskih i klasičnih) razmatranja. Kvantna čestica živi prema svojim zakonima. Ona ima državu. Dot. Sve što izjava o "superpoziciji" znači je da se ovo stanje može veoma razlikovati od naših klasičnih predstava. Uvodimo klasični pojam putanje i primjenjujemo ga na foton u stanju u kojem želi biti. A foton kaže - "izvini, moje omiljeno stanje je da sam u odnosu na ove tvoje putanje, na obe odjednom!". To ne znači da foton uopće ne može biti u stanju u kojem je putanja (manje ili više) određena. Zatvorimo jedan od proreza - i možemo donekle reći da foton leti kroz drugi po određenoj putanji, koju dobro razumijemo. Odnosno, takva država u principu postoji. Otvorimo oba - foton više voli da bude u superpoziciji.

Isto vrijedi i za ostale parametre. Na primjer, vlastiti ugaoni moment ili spin. Sjetite se dva elektrona koji mogu sjediti zajedno u istoj s-orbitali - ako također imaju suprotne spinove? To je samo to. A foton takođe ima spin. Spin fotona je dobar jer u klasici zapravo odgovara polarizaciji svjetlosnog vala. Odnosno, koristeći sve vrste polarizatora i drugih kristala koje imamo, možemo manipulirati spinom (polarizacijom) pojedinačnih fotona ako ih imamo (a oni će).

Dakle, nazad. Elektron ima spin (u nadi da su vam orbitale i elektroni draži od fotona, pa je sve isto), ali je elektronu apsolutno svejedno u kakvom je "spin stanju". Spin je vektor i možemo pokušati reći "spin gleda gore". Ili „okretanje gleda dole” (u odnosu na neki pravac koji smo odabrali). A elektron nam kaže: "Nije me bilo briga za vas, mogu biti na obje putanje u oba spin stanja odjednom." I ovdje je vrlo važno da nema mnogo elektrona u različitim spinskim stanjima, u ansamblu, jedan gleda gore, drugi dolje, a svaki pojedinačni elektron je u oba stanja odjednom. Kao što različiti elektroni ne prolaze kroz različite proreze, već jedan elektron (ili foton) prolazi kroz oba proreza odjednom. Elektron može biti u stanju sa određenim smjerom okretanja, ako ga stvarno pitate, ali to neće učiniti sam. Polukvalitativno, situacija se može opisati na sljedeći način: 1) postoje dva stanja, |+1> (spin up) i |-1> (spin down); 2) u principu, to su košer stanja u kojima elektron može postojati; 3) međutim, ako ne uložite posebne napore, elektron će se "razmazati" po oba stanja i njegovo stanje će biti nešto poput |+1> + |-1>, stanje u kojem elektron nema određeni spin smjer (baš kao putanja 1+ putanja 2, zar ne?). Ovo je "superpozicija država".

O kolapsu valne funkcije.
Ostalo nam je jako malo - da shvatimo šta su mjerenje i "kolaps valne funkcije". Talasna funkcija je ono što smo napisali gore, |+1> + |-1>. Samo opis stanja. Radi jednostavnosti, možemo govoriti o samoj državi, kao takvoj, a o njenom "urušavanju", nema veze. Evo šta se dešava: elektron leti ka sebi u takvom neodređenom stanju uma, bilo da je gore ili dole, ili oboje odjednom. Ovdje naletimo na neki uređaj zastrašujućeg izgleda i izmjerimo smjer okretanja. U ovom konkretnom slučaju, dovoljno je staviti elektron u magnetsko polje: oni elektroni čiji spin gleda u pravcu polja treba da odstupe u jednom pravcu, oni čiji je spin suprotan polju treba da odstupe u drugom. Sjedimo s druge strane i trljamo ruke - vidimo u kom smjeru je elektron skrenuo i odmah znamo da li njegov spin gleda gore ili dolje. Fotoni se mogu staviti u polarizacijski filter - ako je polarizacija (spin) +1 - foton prolazi, ako -1, onda ne.

Ali izvinite - ipak, elektron nije imao određeni smjer okretanja prije mjerenja? To je cela poenta. Nije bilo određenog, već je bio, takoreći, "pomiješan" iz dvije države odjednom, a u svakoj od ovih država postojao je vrlo direktan smjer. U procesu mjerenja, tjeramo elektron da odluči ko će biti i gdje će gledati - gore ili dolje. U gornjoj situaciji, naravno, ne možemo, u principu, unaprijed predvidjeti kakvu će odluku dati određeni elektron donijeti kada odleti u magnetsko polje. Sa vjerovatnoćom od 50% može odlučiti "gore", sa istom vjerovatnoćom - "dolje". Ali čim to odluči, on je u stanju s određenim smjerom okretanja. Kao rezultat našeg "mjerenja"! Ovo je "kolaps" - prije mjerenja, valna funkcija (izvinite, stanje) je bila |+1> + |-1>. Nakon što smo "izmjerili" i vidjeli da je elektron odstupio u određenom smjeru, određen je njegov smjer okretanja i njegova valna funkcija je postala jednostavno |+1> (ili |-1> ako je odstupio u drugom smjeru). Odnosno, država se "urušila" u jednu od svojih komponenti; Nema više "miješanja" druge komponente!

Veliki dio praznog filozofiranja u originalnom unosu bio je posvećen ovome, i ne sviđa mi se kraj crtanog filma zbog ovoga. Tu se jednostavno privuče oko, a neiskusan gledalac može prvo imati iluziju određene antropocentričnosti procesa (kažu, potreban je posmatrač za „mjerenje“), a drugo, njegove neinvazivnosti (pa mi samo tražim!). Moji stavovi o ovoj temi su izneseni gore. Prvo, "posmatrač" kao takav, naravno, nije potreban. Dovoljno je dovesti kvantni sistem u kontakt sa velikim, klasičnim sistemom i sve će se dogoditi samo od sebe (elektroni će uletjeti u magnetsko polje i odlučiti ko će biti, bez obzira da li sedimo s druge strane i posmatramo ili ne). Drugo, neinvazivno klasično mjerenje kvantne čestice je u principu nemoguće. Nacrtati oko je lako, ali šta znači „pogledati foton i otkriti gde je odleteo“? Da biste vidjeli, trebate ubaciti fotone u oko, po mogućnosti puno. Kako da se dogovorimo da stignu mnogo fotona i da nam kažu sve o stanju jednog nesretnog fotona čije nas stanje zanima? Upaliti ga baterijskom lampom? I šta će ostati od njega nakon toga? Jasno je da ćemo imati veoma snažan uticaj na njegovo stanje, možda u tolikoj meri da neće ni hteti da se penje u neki od slotova. Nije sve tako zanimljivo. Ali konačno smo došli do zanimljivog dijela.

O paradoksu Einstein-Podolsky-Rosen i koherentnim (zapletenim) parovima fotona
Sada znamo za superpoziciju stanja, ali do sada smo govorili samo o jednoj čestici. Isključivo zbog jednostavnosti. Ali ipak, šta ako imamo dvije čestice? Moguće je pripremiti par čestica u prilično kvantnom stanju, tako da se njihovo zajedničko stanje opisuje jednom, zajedničkom valnom funkcijom. To, naravno, nije jednostavno – dva proizvoljna fotona u susjednim prostorijama ili elektrona u susjednim epruvetama ne znaju jedan za drugog, pa se mogu i trebaju opisati potpuno nezavisno. Stoga je jednostavno moguće izračunati energiju vezivanja, recimo, jednog elektrona po protonu u atomu vodika, a da nas uopće ne zanimaju drugi elektroni na Marsu ili čak susjedni atomi. Ali ako se posebno potrudite, tada se kvantno stanje koje pokriva dvije čestice može stvoriti odjednom. Ovo će se zvati "koherentno stanje", u odnosu na parove čestica i sve vrste kvantnih brisanja i kompjutera, ovo se još naziva i zapetljano stanje.

Idemo dalje. Možemo znati (zbog ograničenja koja nameće proces pripreme ovog koherentnog stanja) da je, recimo, ukupan spin našeg sistema od dvije čestice nula. U redu je, znamo da spinovi dva elektrona na s-orbitali moraju biti antiparalelni, odnosno ukupni spin je nula, i to nas nimalo ne plaši, zar ne? Ono što ne znamo je gdje je usmjeren spin određene čestice. Znamo samo da gde god da pogleda, spin drugog mora da gleda u drugom pravcu. Odnosno, ako označimo naše dvije čestice (A) i (B), tada stanje u principu može biti sljedeće: |+1(A), -1(B)> (A gleda gore, B gleda dolje ). Ovo je dozvoljeno stanje, ne krši nametnuta ograničenja. Druga mogućnost je |-1(A), +1(B)> (obrnuto, A dole, B gore). Takođe moguće stanje. Zar vas to ne podsjeća na stanja koja smo malo ranije zapisali za spin jednog elektrona? Jer naš sistem od dvije čestice, sve dok je kvantan i koherentan, može (i hoće) biti u superpoziciji stanja |+1(A) na potpuno isti način; -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. Odnosno, obje mogućnosti se implementiraju istovremeno. Kao obje putanje fotona ili oba smjera okretanja jednog elektrona.

Mnogo je zanimljivije izmjeriti takav sistem od jednog fotona. Zaista, pretpostavimo da mjerimo spin samo jedne čestice, A. Već smo shvatili da je mjerenje ozbiljan stres za kvantnu česticu, njeno stanje će se jako promijeniti tokom procesa mjerenja, doći će do kolapsa... Sve je istina , ali - u ovom slučaju postoji više druge čestice, B, koja je čvrsto povezana sa A, imaju zajedničku talasnu funkciju! Pretpostavimo da izmjerimo smjer spina A i vidimo da je on +1. Ali A nema sopstvenu talasnu funkciju (ili drugim rečima, sopstveno nezavisno stanje) da bi se srušio na |+1>. Sve što A ima je stanje "zapetljano" (zapetljano) sa B, napisano gore. Ako mjerenje A daje +1 i znamo da su spinovi A i B antiparalelni, znamo da je spin B usmjeren prema dolje (-1). Talasna funkcija para pada na sve što može, ili može samo na |+1(A); -1(B)>. Ispisana valna funkcija ne pruža nam druge mogućnosti.

Do sada ništa? Mislite li da je puno okretanje sačuvano? Sada zamislite da smo stvorili takav par A, B i pustili da se ove dvije čestice rasprše u različitim smjerovima, ostajući koherentne. Jedan (A) je odletio do Merkura. A drugi (B), recimo, Jupiteru. U ovom trenutku smo se desili na Merkuru i izmjerili smjer okretanja A. Šta se dogodilo? U tom trenutku smo znali pravac spina B i promenili talasnu funkciju B! Imajte na umu da ovo uopće nije isto kao u klasicima. Neka dva leteća kamena rotiraju oko svoje ose i neka nam budu sigurni da se okreću u suprotnim smjerovima. Ako izmjerimo smjer rotacije jedne kada stigne do Merkura, znat ćemo i smjer rotacije druge, ma gdje se ona nalazila u tom trenutku, čak i na Jupiteru. Ali ovo kamenje se uvijek rotiralo u određenom smjeru, prije bilo kojeg našeg mjerenja. A ako neko izmjeri kamen koji leti ka Jupiteru, tada će (a) dobiti isti i sasvim definitivan odgovor, bez obzira da li smo nešto mjerili na Merkuru ili ne. Sa našim fotonima situacija je potpuno drugačija. Nijedan od njih nije imao nikakav određen smjer okretanja prije mjerenja. Kada bi neko, bez našeg učešća, odlučio da izmeri pravac spina B negde u oblasti Marsa, šta bi dobio? Tako je, sa 50% šanse da vidi +1, sa 50% šanse -1. B ima takvo stanje, superpoziciju. Ako taj neko odluči izmjeriti spin B odmah nakon što smo već izmjerili spin A, vidjeli +1 i izazvali kolaps *cijele* valne funkcije,
tada će kao rezultat mjerenja dobiti samo -1, sa vjerovatnoćom od 100%! Tek u trenutku našeg mjerenja, A je konačno odlučio tko bi trebao biti i “odabrao” smjer okretanja - i ovaj izbor je momentalno utjecao na * cjelokupnu * valovnu funkciju i stanje B koje je u tom trenutku već u Bogu zna gde.

Upravo se ta nevolja naziva "nelokalnost kvantne mehanike". Poznat i kao paradoks Einstein-Podolsky-Rosen (EPR paradox) i, općenito, ono što se događa prilikom brisanja je povezano s njim. Možda nešto pogrešno razumijem, naravno, ali za moj ukus, brisanje je zanimljivo jer je to samo eksperimentalna demonstracija nelokalnosti.

Pojednostavljeno, eksperiment brisanja bi mogao izgledati ovako: stvoriti koherentne (zapletene) parove fotona. Jedan po jedan: par, pa sljedeći, i tako dalje. U svakom paru, jedan foton (A) leti u jednom smjeru, drugi (B) u drugom. Sve kao što smo već raspravljali malo više. Na putu fotona B stavljamo dupli prorez i vidimo šta se pojavljuje na zidu iza ovog proreza. Pojavljuje se interferencijski obrazac, jer svaki foton B, kao što znamo, leti duž obje putanje, kroz oba slota odjednom (još se sjećamo smetnje s kojom smo započeli ovu priču, zar ne?). Činjenica da je B još uvijek koherentno povezan s A i ima zajedničku valnu funkciju sa A za njega je prilično ljubičasta. Komplikujemo eksperiment: pokrivamo jedan utor filterom koji propušta samo fotone sa spinom od +1. Drugi pokrivamo filterom koji propušta samo fotone sa spinom (polarizacijom) -1. Nastavljamo da uživamo u obrascu interferencije, jer u opštem stanju para A, B (|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>) zapamtite), postoje stanja B sa oba spina. To jest, "dio" B može proći kroz jedan filter / slot, dio - kroz drugi. Kao i prije, jedan "dio" je letio jednom putanjom, drugi drugom (ovo je, naravno, figura govora, ali činjenica ostaje).

Konačno, vrhunac: negdje na Merkuru, ili malo bliže, na drugom kraju optičkog stola, postavljamo polarizacijski filter na putu fotona A, a detektor iza filtera. Neka, radi definicije, ovaj novi filter propušta samo fotone sa spinom +1. Svaki put kada se detektor aktivira, znamo da je foton A prošao sa spinom +1 (spin -1 neće proći). Ali to znači da je valna funkcija cijelog para kolabirala i "brat" našeg fotona, foton B, u ovom trenutku ima samo jedno moguće stanje -1. Sve. Foton B "nema kroz šta" sada da puzi, prorez je prekriven filterom koji dozvoljava da prođe samo polarizacija +1. On jednostavno nije imao tu ulogu. Vrlo je lako "prepoznati" ovaj foton B. Uparujemo jedan po jedan. Kada registriramo foton A koji prolazi kroz filter, bilježimo vrijeme u kojem je stigao. Na primjer, pola dva. To znači da će i njegov "brat" B doleteti do zida u pola tri. Pa, ili u 1:36, ako leti malo dalje i, dakle, duže. Tu bilježimo i vremena, odnosno možemo porediti ko je ko i ko je kome u odnosu.

Dakle, ako sada pogledamo koja se slika pojavljuje na zidu, nećemo naći nikakve smetnje. Foton B iz svakog para prolazi kroz jedan ili drugi prorez. Na zidu su dvije tačke. Sada uklonite filter sa putanje fotona A. Interferentni obrazac je vraćen.

… i na kraju o odloženom izboru
Situacija postaje prilično loša kada fotonu A treba duže da odleti do svog filtera/detektora nego što fotonu B putuje do proreza. Izvršimo mjerenje (i rješavamo A i valna funkcija kolabira) nakon što je B već trebao udariti u zid i stvoriti interferencijski uzorak. Međutim, sve dok mjerimo A, čak i "kasnije nego što bi trebalo", obrazac interferencije za B fotone i dalje nestaje. Uklonimo filter za A - on je obnovljen. Ovo je već odloženo brisanje. Ne mogu reći da dobro razumijem sa čime se jede.

Ispravke i pojašnjenja.
Sve je bilo ispravno, podložno neizbježnim pojednostavljenjima, sve dok nismo napravili uređaj sa dva upletena fotona. Prvo, foton B ima interferenciju. Čini se da filteri ne rade. Morate zatvoriti ploče, koje mijenjaju polarizaciju iz linearne u kružnu. Teže je to objasniti 😦 Ali nije to poenta. Glavna stvar je da kada na ovaj način zatvorimo utore sa različitim filterima, smetnje nestaju. Ne u trenutku kada merimo foton A, već odmah. Zamršen trik je u tome što smo postavljanjem filtera na ploču “označili” fotone B. Drugim riječima, fotoni B nose dodatne informacije koje nam omogućavaju da saznamo po kojoj su tačno putanji letjeli. *Ako* izmjerimo foton A, tada možemo saznati tačno kojom putanjom je B proletio, što znači da se B neće ometati. Suptilnost leži u činjenici da nije potrebno fizički „mjeriti“ A! Ovdje sam pogriješio prošli put. Nije potrebno mjeriti A da bi smetnje nestale. Ako je *moguće* izmjeriti i saznati na kojoj je od putanja foton B letio, tada u ovom slučaju neće biti smetnji.

Zapravo, još uvijek je moguće preživjeti. Tamo, na linku ispod, ljudi nekako bespomoćno sliježu rukama, ali po mom mišljenju (možda opet griješim? 😉) objašnjenje je sljedeće: stavljanjem filtera u slotove već smo dosta promijenili sistem. Nije bitno da li smo zaista registrovali polarizaciju ili putanju duž koje je foton prošao ili mahnuli rukom u poslednjem trenutku. Važno je da smo sve „pripremili” za merenje, već uticali na države. Dakle, zapravo "mjerenje" (u smislu svjesnog humanoidnog posmatrača koji je ponio termometar i zabilježio rezultat u dnevnik) ne treba ništa. Sve je u nekom smislu (u smislu uticaja na sistem) već „izmereno“. Tvrdnja se obično formuliše na sljedeći način: „*ako* izmjerimo polarizaciju fotona A, tada ćemo znati polarizaciju fotona B, a samim tim i njegovu putanju, pa, pošto foton B leti duž određene putanje, tada će biti nema smetnji; možda nećemo ni mjeriti foton A - dovoljno je da je ovo mjerenje moguće, foton B zna da se može izmjeriti i odbija da interferira. Postoji neka mistifikacija u ovome. Pa, on odbija. Jednostavno zato što je sistem tako pripremljen. Ako sistem ima Dodatne informacije(postoji način) da se odredi kojom od dvije putanje je foton proletio, tada neće biti smetnji.

Ako vam kažem da sam sve uredio tako da foton leti samo kroz jedan slot, odmah ćete shvatiti da neće biti smetnji, zar ne? Možete trčati da provjerite („izmjerite“) i uvjerite se da govorim istinu, ili svejedno možete vjerovati. Ako nisam lagao, onda neće biti smetnji, bez obzira da li žurite da me provjeravate ili ne 🙂 Prema tome, fraza „može se izmjeriti“ zapravo znači „sistem je pripremljen na tako poseban način da... ”. Spremljeno i pripremljeno, odnosno na ovom mjestu još uvijek nema urušavanja. Postoje "označeni" fotoni i nema smetnji.

Evo dalje - zašto se, zapravo, sve ovo zove brisanje - kažu nam: postupimo na sistem tako da "izbrišemo" ove oznake sa fotona B - onda će oni ponovo početi da se mešaju. Zanimljiva stvar, kojoj smo već pristupili, iako u pogrešnom modelu, jeste da fotoni B mogu biti ostavljeni na miru, a ploče se mogu ostaviti u prorezima. Možete povući foton A, i baš kao u kolapsu, promjena njegovog stanja će uzrokovati (ne-lokalno) promjenu ukupne valne funkcije sistema tako da više nemamo dovoljno informacija da odredimo koji prorez foton B prošao kroz. Odnosno, ubacujemo polarizator na putanju fotona A - interferencija fotona B se obnavlja. Sa odloženim, sve je isto - napravimo tako da fotonu A treba duže da leti do polarizatora nego B do proreza. I u svakom slučaju, ako A ima polarizator na putu, onda se B interferira (iako, takoreći, "prije" A odletio do polarizatora)!

Feed. Možete, ili sa svoje web stranice.

Klasična fizika, koja je postojala prije pronalaska kvantne mehanike, opisuje prirodu u običnoj (makroskopskoj) skali. Većina teorija u klasičnoj fizici može se izvesti kao aproksimacije koje djeluju na skali na koju smo navikli. Kvantna fizika (također je kvantna mehanika) razlikuje se od klasične nauke po tome što su energija, impuls, ugaoni moment i druge veličine spregnutog sistema ograničene na diskretne vrijednosti (kvantizacija). Objekti imaju posebne karakteristike kako u obliku čestica tako iu obliku talasa (dvostrukost talasnih čestica). Takođe u ovoj nauci postoje ograničenja tačnosti sa kojom se veličine mogu meriti (princip nesigurnosti).

Može se reći da se nakon pojave kvantne fizike dogodila svojevrsna revolucija u egzaktnim naukama, koja je omogućila preispitivanje i analizu svih starih zakona koji su se ranije smatrali neospornim istinama. Da li je to dobro ili loše? Možda je to i dobro, jer prava nauka nikada ne bi trebalo da miruje.

Međutim, "kvantna revolucija" je bila svojevrsni udarac za fizičare stare škole, koji su se morali pomiriti s činjenicom da se ono u šta su prije vjerovali pokazalo samo skup pogrešnih i arhaičnih teorija kojima je hitno bilo potrebno revizija i prilagođavanje novoj stvarnosti. Većina fizičara je sa entuzijazmom prihvatila ove nove ideje o dobro poznatoj nauci, doprinoseći njenom proučavanju, razvoju i implementaciji. Danas kvantna fizika postavlja dinamiku za cijelu nauku u cjelini. Napredni eksperimentalni projekti (poput Velikog hadronskog sudarača) nastali su upravo zbog nje.

Otvaranje

Šta se može reći o osnovama kvantne fizike? Postupno je proizašao iz različitih teorija osmišljenih da objasne fenomene koji se ne mogu pomiriti s klasičnom fizikom, kao što je rješenje Maxa Plancka iz 1900. i njegov pristup problemu zračenja mnogih naučnih problema, te korespondencija između energije i frekvencije u radu iz 1905. Albert Ajnštajn, koji je objasnio fotoelektrične efekte. Ranu teoriju kvantne fizike su sredinom 1920-ih temeljito revidirali Werner Heisenberg, Max Born i drugi. Moderna teorija je formulirana u različitim posebno razvijenim matematičkim konceptima. U jednom od njih, aritmetička funkcija (ili valna funkcija) daje nam sveobuhvatne informacije o amplitudi vjerovatnoće lokacije impulsa.

Naučno istraživanje Talasna suština svjetlosti započela je prije više od 200 godina, kada su veliki i priznati naučnici tog vremena predložili, razvili i dokazali teoriju svjetlosti na osnovu vlastitih eksperimentalnih zapažanja. Zvali su to talas.

Godine 1803. poznati engleski naučnik Thomas Young izveo je svoj čuveni dvostruki eksperiment, kao rezultat kojeg je napisao čuveno djelo "O prirodi svjetlosti i boje", koje je odigralo ogromnu ulogu u oblikovanju modernih ideja o ovim poznatim pojavama. Ovaj eksperiment je igrao suštinsku ulogu opšte prihvatanje ove teorije.

Takvi eksperimenti se često opisuju u raznim knjigama, na primjer, "Osnove kvantne fizike za lutke". Moderni eksperimenti sa overklokom elementarne čestice, na primjer, potraga za Higgsovim bozonom na Velikom hadronskom sudaraču (skraćeno LHC) provodi se upravo kako bi se pronašla praktična potvrda mnogih čisto teorijskih kvantnih teorija.

Priča

Godine 1838. Michael Faraday, na radost cijelog svijeta, otkrio je katodne zrake. Nakon ovih senzacionalnih studija uslijedila je izjava o problemu zračenja, takozvanog „crnog tijela“ (1859), koju je dao Gustav Kirchhoff, kao i čuvena pretpostavka Ludwiga Boltzmanna da energetska stanja bilo kojeg fizičkog sistema također mogu biti diskretan (1877). Kasnije se pojavila kvantna hipoteza koju je razvio Max Planck (1900). Smatra se jednim od temelja kvantne fizike. Podebljana izjava da se energija može i emitovati i apsorbovati u diskretnim "kvantima" (ili energetskim paketima) je tačno u skladu sa vidljivim obrascima zračenja crnog tela.

Veliki doprinos kvantnoj fizici dao je svjetski poznati Albert Ajnštajn. Impresioniran kvantnim teorijama, razvio je vlastitu. opšta teorija relativnost - tako se to zove. Otkrića u kvantnoj fizici takođe su uticala na razvoj specijalne teorije relativnosti. Mnogi naučnici su u prvoj polovini prošlog veka počeli da proučavaju ovu nauku na predlog Ajnštajna. Ona je tada bila na čelu, svi su je voleli, svi su je zanimali. Nije ni čudo, jer je zatvorila toliko "rupa" u klasičnoj fizici (međutim, stvorila je i nove), ponudila naučno opravdanje za putovanje kroz vrijeme, telekinezu, telepatiju i paralelne svjetove.

Uloga posmatrača

Svaki događaj ili stanje direktno zavisi od posmatrača. Obično se na ovaj način ukratko objašnjavaju osnove kvantne fizike ljudima koji su daleko od egzaktnih nauka. Međutim, u stvarnosti je sve mnogo komplikovanije.

Ovo se savršeno slaže sa mnogim okultnim i religijskim tradicijama koje su vekovima insistirale na sposobnosti ljudi da utiču na okolna dešavanja. Ovo je na neki način i osnova za naučno objašnjenje ekstrasenzorne percepcije, jer sada tvrdnja da je osoba (posmatrač) u stanju da utiče na fizičke događaje snagom misli ne izgleda apsurdno.

Svako svojstveno stanje posmatranog događaja ili objekta odgovara svojstvenom vektoru posmatrača. Ako je spektar operatora (posmatrača) diskretan, promatrani objekt može doseći samo diskretne vlastite vrijednosti. Odnosno, predmet posmatranja, kao i njegove karakteristike, u potpunosti određuje upravo ovaj operator.

Za razliku od konvencionalne klasične mehanike (ili fizike), ne može se napraviti simultana predviđanja konjugiranih varijabli kao što su položaj i impuls. Na primjer, elektroni mogu (sa određenom vjerovatnoćom) biti locirani približno u određenom području prostora, ali je njihov matematički tačan položaj zapravo nepoznat.

Konture konstantne gustine vjerovatnoće, koje se često nazivaju "oblacima", mogu se nacrtati oko jezgra atoma kako bi se konceptualiziralo gdje će se elektron najvjerovatnije nalaziti. Heisenbergov princip nesigurnosti dokazuje nemogućnost preciznog lociranja čestice s obzirom na njen konjugirani impuls. Neki modeli u ovoj teoriji imaju čisto apstraktni računski karakter i ne podrazumijevaju primijenjenu vrijednost. Međutim, oni se često koriste za izračunavanje složenih interakcija na nivou i drugih suptilnih stvari. Osim toga, ova grana fizike omogućila je naučnicima da pretpostave mogućnost stvarnog postojanja mnogih svjetova. Možda ćemo ih uskoro moći vidjeti.

valne funkcije

Zakoni kvantne fizike su veoma obimni i raznovrsni. One se presijecaju s idejom valnih funkcija. Neki posebni stvaraju širenje vjerojatnosti koje je inherentno konstantno ili neovisno o vremenu, na primjer, kada se u stacionarnom stanju energije čini da vrijeme nestaje u odnosu na valnu funkciju. Ovo je jedan od efekata kvantne fizike, koji je za nju fundamentalan. Zanimljiva je činjenica da je fenomen vremena radikalno revidiran u ovoj neobičnoj nauci.

Teorija perturbacije

Međutim, postoji nekoliko pouzdanih načina za razvoj rješenja potrebnih za rad s formulama i teorijama u kvantnoj fizici. Jedna takva metoda, opšte poznata kao "teorija perturbacije", koristi analitički rezultat za elementarni kvantnomehanički model. Stvoren je da donese rezultate eksperimenata kako bi se razvio još složeniji model koji je povezan sa jednostavnijim modelom. Evo rekurzije.

Ovaj pristup je posebno važan u teoriji kvantnog haosa, koja je izuzetno popularna za tumačenje različitih događaja u mikroskopskoj stvarnosti.

Pravila i zakoni

Pravila kvantne mehanike su fundamentalna. Oni tvrde da je prostor za implementaciju sistema apsolutno fundamentalan (ima tačkasti proizvod). Druga tvrdnja je da su efekti koje posmatra ovaj sistem istovremeno i neobični operatori koji utiču na vektore upravo u ovom mediju. Međutim, oni nam ne govore u kojem Hilbertovom prostoru ili u kojim operatorima postoje ovog trenutka. Mogu se odabrati na odgovarajući način kako bi se dobio kvantitativni opis kvantnog sistema.

Značaj i uticaj

Od nastanka ove neobične nauke, mnogi anti-intuitivni aspekti i rezultati proučavanja kvantne mehanike izazvali su glasne filozofske rasprave i mnoga tumačenja. Čak i fundamentalna pitanja, kao što su pravila za izračunavanje različitih amplituda i distribucija vjerovatnoće, zaslužuju poštovanje javnosti i mnogih vodećih naučnika.

Na primjer, jednog dana je sa žaljenjem primijetio da uopće nije siguran da li neko od naučnika uopće razumije kvantnu mehaniku. Prema Stevenu Weinbergu, trenutno ne postoji jedinstvena interpretacija kvantne mehanike. To sugerira da su naučnici stvorili "čudovište", da u potpunosti razumiju i objasne postojanje čijeg postojanja oni sami nisu u stanju. Međutim, to ni na koji način ne šteti relevantnosti i popularnosti ove nauke, već privlači mlade stručnjake koji žele riješiti zaista složene i neshvatljive probleme.

Osim toga, kvantna mehanika je prisilila potpunu reviziju objektivnih fizičkih zakona svemira, što je dobra vijest.

Kopenhaška interpretacija

Prema ovom tumačenju, standardna definicija kauzalnosti koja nam je poznata iz klasične fizike više nije potrebna. Prema kvantnim teorijama, kauzalnost u našem uobičajenom smislu uopšte ne postoji. Sve fizičke pojave u njima su objašnjene sa stanovišta interakcije najmanjih elementarnih čestica na subatomskom nivou. Ovo područje, uprkos naizgled nevjerovatnosti, izuzetno je obećavajuće.

kvantna psihologija

Šta se može reći o odnosu između kvantne fizike i ljudske svijesti? Ovo je prekrasno napisano u knjizi koju je 1990. napisao Robert Anton Wilson pod nazivom Kvantna psihologija.

Prema teoriji iznesenoj u knjizi, svi procesi koji se odvijaju u našem mozgu određeni su zakonima opisanim u ovom članku. Odnosno, ovo je svojevrsni pokušaj prilagođavanja teorije kvantne fizike psihologiji. Ova teorija se smatra paranaučnom i akademska zajednica je ne priznaje.

Wilsonova knjiga je značajna po tome što u njoj nudi niz različitih tehnika i praksi, u jednoj ili drugoj mjeri dokazujući njegovu hipotezu. Na ovaj ili onaj način, čitalac mora sam da odluči da li veruje u održivost ovakvih pokušaja primene matematičkih i fizičkih modela na humanističke nauke.

Neki su Wilsonovu knjigu shvatili kao pokušaj da se opravda mistično razmišljanje i veže ga za naučno dokazane novonastale fizičke formulacije. Ovaj vrlo netrivijalan i upečatljiv rad tražen je više od 100 godina. Knjiga je objavljena, prevedena i čitana u cijelom svijetu. Ko zna, možda će se razvojem kvantne mehanike promijeniti i odnos naučne zajednice prema kvantnoj psihologiji.

Zaključak

Zahvaljujući ovoj izvanrednoj teoriji, koja je ubrzo postala posebna nauka, bili smo u mogućnosti da istražujemo okolnu stvarnost na nivou subatomskih čestica. Ovo je najmanji nivo od svih mogućih, potpuno nedostupan našoj percepciji. Ono što su fizičari ranije znali o našem svijetu treba hitnu reviziju. Apsolutno se svi slažu sa ovim. Postalo je očigledno da različite čestice mogu međusobno komunicirati na potpuno nezamislivim udaljenostima, koje možemo mjeriti samo složenim matematičkim formulama.

Osim toga, kvantna mehanika (i kvantna fizika) je dokazala mogućnost postojanja mnogih paralelnih realnosti, putovanja kroz vrijeme i drugih stvari koje su kroz povijest smatrane samo stvarima naučne fantastike. Ovo je nesumnjivo ogroman doprinos ne samo nauci, već i budućnosti čovječanstva.

Za ljubitelje naučne slike sveta ova nauka može biti i prijatelj i neprijatelj. Činjenica je da kvantna teorija otvara široke mogućnosti za razne spekulacije na paranaučnu temu, kao što je već pokazano na primjeru jedne od alternativnih psiholoških teorija. Neki moderni okultisti, ezoteričari i pristalice alternativnih religijskih i duhovnih pokreta (najčešće psihokulti) okreću se teorijskim konstrukcijama ove nauke kako bi potkrijepili racionalnost i istinitost svojih mističnih teorija, vjerovanja i praksi.

Ovo je slučaj bez presedana, kada su jednostavne pretpostavke teoretičara i apstraktne matematičke formule dovele do prave znanstvene revolucije i stvorile novu nauku koja je precrtala sve što je prije bilo poznato. Kvantna fizika je donekle opovrgla zakone aristotelovske logike, jer je pokazala da pri izboru "ili-ili" postoji još jedna (ili, možda, nekoliko) alternativa.

Fizika je najmisterioznija od svih nauka. Fizika nam daje razumijevanje svijeta oko nas. Zakoni fizike su apsolutni i važe za sve bez izuzetka, bez obzira na ličnost i društveni status.

Ovaj članak je namijenjen osobama starijim od 18 godina.

Imate li već 18 godina?

Fundamentalna otkrića u kvantnoj fizici

Isak Njutn, Nikola Tesla, Albert Ajnštajn i mnogi drugi veliki su vodiči čovečanstva divan svijet fizičari koji su, poput proroka, otkrili čovječanstvu najveće tajne univerzum i sposobnost kontrole fizičkih pojava. Njihove svijetle glave sijeku tamu neznanja nerazumne većine i kao zvijezda vodilja pokazivale su put čovječanstvu u tami noći. Jedan od ovih dirigenta u svijetu fizike bio je Max Planck, otac kvantne fizike.

Max Planck nije samo osnivač kvantne fizike, već i autor svjetski poznate kvantne teorije. Kvantna teorija je najvažnija komponenta kvantne fizike. Jednostavnim riječima, ova teorija opisuje kretanje, ponašanje i interakciju mikročestica. Osnivač kvantne fizike donio nam je i mnoge druge naučne radove koji su postali kamen temeljac moderne fizike:

• teorija toplotnog zračenja;
• specijalna teorija relativnosti;
• istraživanja u području termodinamike;
• istraživanja u oblasti optike.

Teorija kvantne fizike o ponašanju i interakciji mikročestica postala je osnova za fiziku kondenzirane materije, fiziku elementarnih čestica i fiziku visokih energija. Kvantna teorija nam objašnjava suštinu mnogih fenomena našeg svijeta – od funkcionisanja elektronskih kompjutera do strukture i ponašanja nebeskih tijela. Max Planck, tvorac ove teorije, zahvaljujući svom otkriću omogućio nam je da shvatimo pravu suštinu mnogih stvari na nivou elementarnih čestica. Ali stvaranje ove teorije daleko je od jedine zasluge naučnika. On je prvi otkrio osnovni zakon univerzuma - zakon održanja energije. Doprinos Maksa Planka nauci teško je precijeniti. Ukratko, njegova otkrića su neprocenjiva za fiziku, hemiju, istoriju, metodologiju i filozofiju.

kvantna teorija polja

Ukratko, kvantna teorija polja je teorija opisa mikročestica, kao i njihovog ponašanja u prostoru, međusobne interakcije i međusobnih transformacija. Ova teorija proučava ponašanje kvantnih sistema unutar takozvanih stupnjeva slobode. Ovo lijepo i romantično ime mnogima od nas ništa ne govori. Za lutke, stepeni slobode su broj nezavisnih koordinata koje su potrebne za indikaciju kretanja mehaničkog sistema. Jednostavno rečeno, stepeni slobode su karakteristike kretanja. Zanimljiva otkrića u polju interakcije elementarnih čestica napravio je Steven Weinberg. Otkrio je takozvanu neutralnu struju - princip interakcije između kvarkova i leptona, za koji je dobio nobelova nagrada 1979. godine.

Kvantna teorija Maxa Plancka

Devedesetih godina osamnaestog veka, nemački fizičar Maks Plank se bavio proučavanjem toplotnog zračenja i na kraju je dobio formulu za raspodelu energije. Kvantna hipoteza, koja je nastala u toku ovih studija, označila je početak kvantne fizike, kao i kvantne teorije polja, otkrivene 1900. godine. Plankova kvantna teorija je da se tokom toplotnog zračenja proizvedena energija emituje i apsorbuje ne stalno, već epizodično, kvantno. 1900. godina, zahvaljujući ovom otkriću Maxa Plancka, postala je godina rođenja kvantne mehanike. Vrijedi spomenuti i Planckovu formulu. Ukratko, njegova suština je sljedeća - zasniva se na odnosu tjelesne temperature i njenog zračenja.

Kvantno-mehanička teorija strukture atoma

Kvantno mehanička teorija strukture atoma jedna je od osnovnih teorija pojmova u kvantnoj fizici, pa i u fizici općenito. Ova teorija nam omogućava da razumijemo strukturu svega materijalnog i otvara veo tajne nad onim od čega se stvari zapravo sastoje. A zaključci zasnovani na ovoj teoriji su vrlo neočekivani. Razmotrite ukratko strukturu atoma. Dakle, od čega je atom zapravo napravljen? Atom se sastoji od jezgra i oblaka elektrona. Osnova atoma, njegovo jezgro, sadrži gotovo cijelu masu samog atoma - više od 99 posto. Jezgro uvijek ima pozitivan naboj i ono određuje hemijski element, čiji je atom dio. Najzanimljivija stvar u vezi s jezgrom atoma je to što sadrži gotovo cijelu masu atoma, ali istovremeno zauzima samo jednu desethiljadinu njegovu zapreminu. Šta iz ovoga slijedi? A zaključak je vrlo neočekivan. To znači da je gusta materija u atomu samo jedan desethiljaditi dio. A šta je sa svim ostalim? Sve ostalo u atomu je oblak elektrona.

Elektronski oblak nije trajna i čak, u stvari, nije materijalna supstanca. Elektronski oblak je samo vjerovatnoća pojave elektrona u atomu. Odnosno, jezgro zauzima samo jedan desethiljaditi dio atoma, a sve ostalo je praznina. A ako uzmemo u obzir da se svi objekti oko nas, od čestica prašine do nebeskih tijela, planeta i zvijezda, sastoje od atoma, ispada da se sve materijalno zapravo sastoji od više od 99 posto praznine. Ova teorija izgleda potpuno nevjerovatna, a njen autor, u najmanju ruku, zabluda, jer stvari koje postoje okolo imaju čvrstu konzistenciju, imaju težinu i mogu se osjetiti. Kako se može sastojati od praznine? Da li se greška uvukla u ovu teoriju strukture materije? Ali ovdje nema greške.

Sve materijalne stvari izgledaju guste samo zbog interakcije između atoma. Stvari imaju čvrstu i gustu konzistenciju samo zbog privlačenja ili odbijanja između atoma. Ovo obezbeđuje gustinu i tvrdoću. kristalna rešetka hemikalije koje čine sve materijalno. Ali, zanimljiva stvar, kada se mijenjaju, na primjer, temperaturni uslovi okruženje, veze između atoma, odnosno njihovo privlačenje i odbijanje, mogu oslabiti, što dovodi do slabljenja kristalne rešetke, pa čak i do njenog uništenja. Ovo objašnjava promjenu fizičkih svojstava tvari pri zagrijavanju. Na primjer, kada se gvožđe zagreje, ono postaje tečno i može se oblikovati u bilo koji oblik. A kada se led otopi, uništavanje kristalne rešetke dovodi do promjene stanja materije i ona se pretvara iz čvrstog u tečno. to svijetli primjeri slabljenje veza između atoma i, kao rezultat, slabljenje ili uništenje kristalne rešetke, te omogućavaju da tvar postane amorfna. A razlog za takve misteriozne metamorfoze je upravo taj što se supstance sastoje od guste materije samo za jednu desetohiljadinu, a sve ostalo je praznina.

A čini se da su tvari čvrste samo zbog jakih veza između atoma čijim se slabljenjem tvar mijenja. Dakle, kvantna teorija strukture atoma nam omogućava da potpuno drugačije pogledamo svijet oko nas.

Osnivač teorije atoma, Niels Bohr, iznio je zanimljiv koncept da elektroni u atomu ne zrače energiju stalno, već samo u trenutku prijelaza između putanja svog kretanja. Borova teorija pomogla je da se objasne mnoge unutaratomske procese, a također je napravila iskorak u nauci o hemiji, objašnjavajući granice tabele koju je stvorio Mendeljejev. Prema , posljednji element koji može postojati u vremenu i prostoru ima serijski broj sto trideset sedam, a elementi koji počinju od sto trideset i osme ne mogu postojati, jer je njihovo postojanje u suprotnosti sa teorijom relativnosti. Također, Borova teorija je objasnila prirodu takvog fizičkog fenomena kao što su atomski spektri.

Ovo su interakcijski spektri slobodnih atoma koji nastaju kada se energija emituje između njih. Takve pojave su tipične za plinovite, parne tvari i tvari u stanju plazme. Tako je kvantna teorija napravila revoluciju u svijetu fizike i omogućila naučnicima da napreduju ne samo na polju ove nauke, već i na polju mnogih srodnih nauka: hemije, termodinamike, optike i filozofije. I također omogućio čovječanstvu da pronikne u tajne prirode stvari.

Čovječanstvo treba još mnogo da uradi u svojoj svijesti kako bi spoznalo prirodu atoma, razumjelo principe njihovog ponašanja i interakcije. Shvativši ovo, moći ćemo razumjeti prirodu svijeta oko nas, jer sve što nas okružuje, počevši od čestica prašine i završavajući samim suncem, i mi sami - sve se sastoji od atoma čija je priroda tajanstvena i neverovatna i puna mnogo tajni.

• Prevod

Od pojave kvantne teorije 1900-ih, svi pričaju o neobičnosti ove teorije, kaže Owen Maroney, fizičar sa Univerziteta u Oksfordu. Kako dozvoljava česticama i atomima da se kreću u više smjerova u isto vrijeme, ili da se rotiraju u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu u isto vrijeme. Ali riječi ne mogu ništa dokazati. "Ako javnosti kažemo da je kvantna teorija vrlo čudna, moramo eksperimentalno testirati ovu tvrdnju", kaže Maruni. „U suprotnom, mi se ne bavimo naukom, već pričamo o svakojakim škripcima na tabli."

To je ono što je navelo Marunija i druge da razviju novu seriju eksperimenata kako bi otkrili suštinu valne funkcije – misteriozne suštine u osnovi kvantnih neobičnosti. Na papiru, valna funkcija je jednostavno matematički entitet, 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 gore ili dole. Ali matematika ne govori šta je zapravo talasna funkcija. Je li to nešto fizičko? Ili samo računski alat za rad sa neznanjem posmatrača o stvarnom svijetu?

Testovi koji se koriste za odgovor na pitanje su vrlo suptilni i još uvijek moraju dati konačan odgovor. Ali istraživači su optimistični da je rasplet 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 je svemir stalno podijeljen na paralelne svjetove, od kojih svaki ima svoju alternativnu verziju? Postoji li uopće nešto što se zove "objektivna stvarnost"?

„Takva pitanja prije ili kasnije se pojave za svakoga“, kaže Alessandro Fedrici, fizičar sa Univerziteta Queensland (Australija). "Šta je stvarno stvarno?"

Sporovi o suštini stvarnosti počeli su još 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 s druge strane. 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 promatranja, bez razmišljanja o tome što se događa u stvarnosti. „Fizičari se ne mogu kriviti za ovo ponašanje 'začepi i broji', jer je dovelo do značajnih otkrića u nuklearnoj i atomskoj fizici, fizici čvrstog stanja i fizici čestica," kaže Jean Brickmont, statistički fizičar sa Katoličkog univerziteta u Belgiji. “Zato se ljudima savjetuje da ne brinu o fundamentalnim pitanjima.”

Ali neki ljudi i dalje brinu. Do 1930-ih, Ajnštajn je odbacio kopenhagensko tumačenje, ne samo zato što je dozvoljavalo dvema česticama da zaplete svoje talasne funkcije, što je dovelo do situacije u kojoj merenja jedne od njih mogu trenutno da daju stanje drugoj, čak i ako su razdvojene ogromne udaljenosti. Kako ne bi trpio ovu "zastrašujuću interakciju na daljinu", Einstein je radije vjerovao da su valne funkcije čestica nepotpune. Rekao je da možda čestice imaju neke skrivene varijable koje određuju rezultat mjerenja, a koje kvantna teorija nije primijetila.

Eksperimenti su od tada pokazali izvodljivost zastrašujuće interakcije na daljinu, što 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. Drugi vide talasnu funkciju kao stvarnu stvar - psioničke modele.

Da biste razumjeli razliku, razmotrite misaoni eksperiment koji je Schrödinger opisao u pismu Einsteinu iz 1935. godine. Mačka je u čeličnoj kutiji. Kutija sadrži uzorak radioaktivnog materijala koji ima 50% šanse da emituje produkt raspada u jednom satu, i aparat koji će otrovati mačku ako se 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.

„Grubo govoreći“, blago kaže Fedrichi, „u psihološko-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 slaganje sa tumačenjem iz Kopenhagena: sve dok posmatrač ne otvori kutiju, mačka će biti i živa i mrtva u isto vreme.

Ali tu argument dolazi do vrhunca. Koja je interpretacija istinita? Na ovo pitanje je teško odgovoriti eksperimentalno jer je razlika između modela vrlo suptilna. Oni bi u suštini trebali predvidjeti isti kvantni fenomen kao vrlo uspješna interpretacija u Kopenhagenu. Endrju Vajt, fizičar sa Univerziteta Kvinslend, kaže da je u njegovoj 20-godišnjoj karijeri u kvantnoj tehnologiji "ovaj problem bio kao ogromna glatka planina bez izbočina na koje se ne biste mogli popeti".

Sve se promijenilo 2011. godine, objavljivanjem teoreme kvantnog mjerenja, koja je, čini se, eliminirala pristup „talasne funkcije kao neznanja“. Ali nakon detaljnijeg ispitivanja, pokazalo se da im ova teorema ostavlja dovoljno prostora za manevrisanje. Ipak, to je inspirisalo fizičare da ozbiljno razmisle o načinima rješavanja spora testiranjem stvarnosti valne funkcije. Maruni je već razvio 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 sadrži samo crvene boje, drugi samo asove. „Dobijate kartu i tražite da pogodite iz kojeg je špila“, kaže Martin Ringbauer, fizičar sa istog univerziteta. Ako je crveni as, "postoji skretnica i ne možete sa sigurnošću reći." Ali ako znate koliko je karata u svakom špilu, možete izračunati koliko će se često dogoditi takva dvosmislena situacija.

Fizika u opasnosti

Ista dvosmislenost se dešava iu kvantnim sistemima. Nije uvijek moguće otkriti, na primjer, kako je foton polariziran jednim mjerenjem. "U stvarnom životu, lako je razlikovati zapad od juga 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 - dok još jedno mjerenje ne utvrdi tačno odgovor. Ali prema modelu „valna funkcija kao neznanje“ pitanje ima smisla - samo u eksperimentu, kao i u onom sa špilom karata, nema dovoljno informacija. Kao i kod mapa, moguće je predvidjeti koliko se nejasnoća može objasniti takvim neznanjem i uporediti s velikim brojem nejasnoća koje dozvoljava standardna teorija.

To je upravo ono što su Fedrichi i tim testirali. Grupa je izmjerila polarizaciju i druga svojstva u snopu fotona i pronašla nivo ukrštanja koji se ne može objasniti modelima "neznanja". Rezultat podržava alternativnu teoriju - ako objektivna stvarnost postoji, tada postoji i valna funkcija. „Impresivno da je tim uspeo da reši tako složen problem sa tako jednostavnim eksperimentom“, kaže Andrea Alberti, fizičar sa Univerziteta u Bonu (Nemačka).

Zaključak još nije urezan u granit: budući da su detektori uhvatili samo petinu fotona korištenih u testu, treba pretpostaviti da su se izgubljeni fotoni ponašali na potpuno isti način. Ovo je jaka pretpostavka i grupa sada radi na načinima da smanji gubitke i proizvede konačniji rezultat. U međuvremenu, Maruni tim sa Oksforda radi sa Univerzitetom Novog Južnog Velsa (Australija) na repliciranju ovog eksperimenta sa ionima koje je lakše pratiti. „U narednih šest mjeseci imat ćemo neospornu verziju ovog eksperimenta“, kaže Maruni.

Ali čak i ako uspiju i pobijede modeli „valne funkcije kao stvarnosti“, onda ti 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 određenu lokaciju i svojstva, ali su vođene određenim "pilot valom", koji je definiran kao valna funkcija. Ovo objašnjava eksperiment sa dvostrukim prorezom, budući da pilot talas može proći kroz oba proreza i proizvesti interferencijski obrazac, iako sam elektron, povučen 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 Codier sa Pariskog univerziteta Diderot, pitali su studente šta misle da je jednostavan problem: postaviti eksperiment u kojem bi se kapi ulja koje padaju na poslužavnik spojile zbog na vibracije tacne. Na iznenađenje svih oko kapi, počeli su se stvarati valovi dok je poslužavnik vibrirao na određenoj frekvenciji. „Kapi su počele da se kreću same od sebe na sopstvenim talasima“, kaže Fort. “Bio je to dvostruki objekt – čestica koju je povukao val.”

Od tada, Fort i Coudier su pokazali da takvi valovi mogu voditi 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 snažnu razliku u svojstvima između velikih i malih objekata. „Zašto elektroni i atomi mogu biti na dva mjesta u isto vrijeme, 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 dovesti česticu u određeni položaj u prostoru. Modeli su konstruisani na način da su šanse za takav kolaps izuzetno male za jednu česticu, tako da na atomskom nivou dominiraju kvantni efekti. Ali vjerovatnoća kolapsa brzo raste kada se čestice kombinuju, 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 veličine. A fizičari su već uradili eksperiment sa dvostrukim prorezom s velikim molekulima. Ali ako su modeli kolapsa tačni, tada kvantni efekti neće biti vidljivi izvan određene mase. Različite grupe planiraju da traže ovu masu koristeći hladne atome, molekule, metalne klastere i nanočestice. Nadaju se da će doći do rezultata u narednih deset godina. „Ono što je cool u vezi ovih eksperimenata je to što ćemo ih podvrgnuti kvantna teorija precizne testove tamo gdje još nije testirano”, kaže Maruni.

Parallel Worlds

Jedan model “talasne funkcije kao stvarnosti” već je poznat i voljen od strane pisaca naučne fantastike. Ovo je interpretacija mnogih svjetova koju je 1950-ih razvio Hugh Everett, koji je tada bio student na Univerzitetu Princeton u New Jerseyu. U ovom modelu, valna funkcija toliko snažno određuje razvoj stvarnosti da se svakim kvantnim mjerenjem svemir dijeli na paralelne svjetove. Drugim riječima, kada otvorimo kutiju s mačkom, stvaramo dva Univerzuma - jedan sa mrtvom mačkom, a drugi sa živom.

Teško je odvojiti ovu interpretaciju od standardne kvantne teorije, jer se njihova predviđanja poklapaju. Ali prošle godine, Howard Wiseman sa Univerziteta Griffith u Brisbaneu i kolege došli su do modela 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 sve paralelne svetove“, kaže Vajzman.

Koristeći kompjuterska simulacija, u kojem je 41 univerzum u interakciji, pokazali su da model grubo reproducira nekoliko kvantnih efekata, uključujući putanje čestica u eksperimentu sa dvostrukim prorezom. Sa povećanjem broja svjetova, obrazac interferencije teži stvarnom. Budući da se predviđanja teorije razlikuju ovisno o broju 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 njega, opstat će i drugi modeli, na primjer, Kopenhaška interpretacija, koja tvrdi da ne postoji objektivna stvarnost, već samo proračuni.

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