Auton palauttaminen takuun tai kvanttifysiikan alaisena nukkeille.

Oletetaan, että vuosi on 3006. Menet "yhdistettyyn" ja ostat edullisen kiinalaisen aikakoneen erissä 600 vuodeksi. Haluat hiipiä viikko eteenpäin voittaaksesi vedonvälittäjän toimiston. Odotat suurta jättipottia, kirjoitat kiihkeästi saapumispäivän siniseen muovilaatikkoon...

Ja tässä on nauru: Nikadim-chronon-muunnin palaa siinä. Kone, joka huutaa kuoliniskua, heittää sinut vuoteen 62342. Ihmiskunta jakautui takaperinteisiin ja agglomeraatteihin ja hajallaan kaukaisiin galaksiin. Aurinko on myyty ulkomaalaisille, maapalloa hallitsevat jättiläismäiset radioaktiiviset piimadot. Ilmakehä on fluorin ja kloorin seos. Lämpötila on miinus 180 astetta. Maa on kulunut ja sinä lisäksi putoat fluoriittikiteiden kalliolle viidentoista metrin päästä. Viimeisellä uloshengitykselläsi käytät galaktista siviilioikeuttasi tehdäksesi yhden intertemporaalisen puhelun avaimenperällesi. Soita "yhdistettyyn" tekniseen tukikeskukseen, jossa kohtelias robotti ilmoittaa, että aikakoneen takuu on 100 vuotta ja omana aikanaan se on täysin käyttökuntoinen, ja vuonna 62342 sait ihmispuheen kautta lausumattoman määrän miljoonia penniä. mekanismi ei koskaan maksettu kerran erissä.

Siunaa ja pelasta! Herra, kiitos, että elämme tässä vanhentuneessa karhun menneisyydessä, jossa sellaiset mahdollisuudet ovat mahdottomia!
…Tosin ei! Vain suurin osa isoista tieteellisiä löytöjä eivät anna niin eeppisiä tuloksia kuin useille tieteiskirjailijoille näyttää.

Laserit eivät polta kaupunkeja ja planeettoja - ne tallentavat ja välittävät tietoa, viihdyttävät koululaisia. Nanoteknologia ei tee maailmankaikkeudesta itseään replikoituvaa nanobottien laumaa. Ne tekevät sadetakista vedenpitävämmän ja betonista kestävämmän. Atomipommi, räjäytettiin mereen, ei koskaan aloittanut vetyytimien termoydinfuusion ketjureaktiota ja muuttanut meidät toiseksi auringoksi. Hadronitörmäyskone ei kääntänyt planeettaa nurinpäin ja vetänyt koko maailmaa mustaan ​​aukkoon. Tekoälyä on jo luotu, mutta se vain pilkkaa ajatusta ihmiskunnan tuhoamisesta.
Aikakone ei ole poikkeus. Tosiasia on, että se luotiin viime vuosisadan puolivälissä. Sitä ei rakennettu itsetarkoitukseksi, vaan vain työkaluksi yhden pienen, mitättömän, mutta erittäin merkittävän laitteen luomiseen.

Kerran professori Dmitri Nikolajevitš Grachev oli hyvin ymmällään luomiskysymyksestä tehokkaita keinoja suoja radiosäteilyltä. Tehtävä vaikutti ensi silmäyksellä mahdottomalta - jokaisen radioaallon laitteen piti antaa omansa vastauksena samaan ja samalla ei olla sidottu signaalilähteeseen millään tavalla (koska se on vihollinen). Dmitri Nikolajevitš näki kerran lasten leikkivän "bounceria" pihalla. Pelin voittaa ketterin, joka väistää pallon tehokkaimmin. Tämä vaatii koordinaatiota, ja mikä tärkeintä, kykyä ennustaa pallon liikeradan.

Ennustamiskyky määräytyy laskentaresurssin mukaan. Mutta meidän tapauksessamme laskentaresurssien lisääminen ei johda mihinkään. Edes nykyaikaisimpien supertietokoneiden nopeus ja tarkkuus eivät riitä tähän. Kyse oli spontaanin prosessin ennustamisesta mikroaallon puolijakson nopeudella - radioaalto.

Professori poimi pensaisiin lentäneen pallon ja heitti sen takaisin lapsille. Miksi ennustaa, minne pallo on menossa, kun se on jo saapunut? Ulospääsy löytyi: tuntemattoman tuloradiosignaalin ominaisuudet tunnetaan hyvin lähitulevaisuudessa, eikä niitä yksinkertaisesti tarvitse laskea. Riittää, kun mittaat ne suoraan siellä. Mutta tässä on ongelma - on mahdotonta liikkua ajassa edes nanosekuntia. Tätä ei kuitenkaan vaadittu käsillä olevassa tehtävässä. On vain välttämätöntä, että laitteen herkkä elementti - transistori - on lähitulevaisuudessa, ainakin osittain. Ja tässä äskettäin löydetty kvanttisuperpositioilmiö tuli apuun. Sen merkitys on, että sama hiukkanen voi olla eri paikoissa ja aikoina samaan aikaan.

Tämän seurauksena professori Grachev loi Mass-Oriented Quantum Electronic Trapin - reaaliaikaisen koneen, jossa luotiin ensimmäistä kertaa puolijohdesiru, jonka elektroneista osa on tulevaisuudessa ja samalla nykyisyydessä. Saman TMA:n prototyyppi - siru, joka ohjaa Grachev-resonaattoria. Voisi sanoa, että tämä asia on aina yksi jalka tulevaisuudessa.

Täällä keskustelin aiheesta päivien ajan viivästetty valinta kvanttipoisto, ei edes niinkään keskustelua kuin ihanan ystäväni dr_tambowskyn kärsivällinen selitys kvanttifysiikan perusteista. Koska en opettanut fysiikkaa koulussa hyvin, ja vanhuudessani olin piirretty, imeen sen kuin sieni. Päätin kerätä selitykset yhteen paikkaan, ehkä jollekin muulle.

Aluksi suosittelen katsomaan lapsille sarjakuvaa häiriöistä ja kiinnittämään huomiota "silmään". Koska itse asiassa se on koko pulma.

Sitten voit aloittaa tekstin lukemisen dr_tambowskysta, jonka annan alla kokonaisuudessaan, tai joka on älykäs ja taitava, voi lukea sen heti. Ja parempi kuin molemmat.

Mikä on häiriö.
Kaikenlaisia ​​termejä ja käsitteitä on todella paljon ja ne ovat hyvin sekaisin. Mennään järjestyksessä. Ensinnäkin kyseessä on häiriö sinänsä. Häiriöistä on monia esimerkkejä ja erilaisia ​​interferometrejä on paljon. Erityinen koe, jota jatkuvasti horjutetaan ja jota käytetään usein tässä pyyhkimisen tieteessä (lähinnä siksi, että se on yksinkertainen ja kätevä), on kaksi vierekkäin leikattua, yhdensuuntaisesti toistensa kanssa, läpinäkymättömässä näytössä. Aluksi valaistakaamme tällaista kaksoisrakoa. Valo on aalto, eikö niin? Ja tarkkailemme valon häiriötä koko ajan. Usko siihen, että jos valaistat näitä kahta rakoa ja asetat näytön (tai vain seinän) toiselle puolelle, niin tällä toisella näytöllä näemme myös interferenssikuvion - kahden kirkkaan valopilkun sijaan "kulkee rakojen läpi" toiselle näytölle (seinälle) tulee aita vuorotellen kirkkaita ja tummia raitoja. Toteamme jälleen kerran, että tämä on puhtaasti aaltoominaisuus: jos heitämme kiviä, niin koloihin putoavat jatkavat suoraa lentämistä ja osuvat seinään kukin oman uransa takana, eli näemme kaksi erillistä kasaa kivet (jos ne takertuvat seinään, tietysti 🙂), ei häiriöitä.

Muistatko vielä, että koulussa opetettiin "partikkeli-aalto-dualismista"? Että kun kaikki on hyvin pientä ja hyvin kvanttia, niin esineet ovat samanaikaisesti sekä hiukkasia että aaltoja? Yhdessä kuuluisista kokeista (Stern-Gerlach-kokeessa) viime vuosisadan 20-luvulla he käyttivät samaa järjestelyä kuin edellä on kuvattu, mutta valon sijaan ne loistivat ... elektroneilla. Eli elektronit ovat hiukkasia, eikö niin? Eli jos ne "heitetään" kaksoisaukkoon, kuten kiviä, niin mitä aukkojen takana olevalla seinällä näemme? Vastaus ei ole kaksi erillistä pistettä, vaan taas häiriökuvio!! Eli myös elektronit voivat häiritä.

Toisaalta käy ilmi, että valo ei ole aivan aalto, vaan vähän ja hiukkanen - fotoni. Toisin sanoen olemme nyt niin älykkäitä, että ymmärrämme, että edellä kuvatut kaksi koetta ovat sama asia. Heitämme (kvantti)hiukkasia rakoihin, ja näissä rakoissa olevat hiukkaset häiritsevät - vuorottelevat raidat näkyvät seinällä ("näkyviä" - siinä mielessä, kuinka rekisteröimme fotoneja tai elektroneja sinne, itse silmät eivät ole välttämättömiä tähän 🙂).

Nyt, aseistettuna tällä universaalilla kuvalla, kysytään seuraava, hienovaraisempi kysymys (huomio, erittäin tärkeä!!):
Kun loistamme fotoneillamme/elektroneillamme/hiukkasillamme rakoja, näemme häiriökuvion toiselta puolelta. Ihana. Mutta mitä tapahtuu yhdelle fotonille/elektronille/pi-mesonille? [ja tästä eteenpäin puhutaan - puhtaasti mukavuuden vuoksi - vain fotoneista]. Loppujen lopuksi tämä vaihtoehto on mahdollista: jokainen fotoni lentää kuin kivi oman rakonsa läpi, eli sillä on hyvin määritelty lentorata. Tämä fotoni lentää vasemman aukon läpi. Ja tuo siellä oikealla. Kun nämä fotonit-kivet, jotka ovat seuranneet tiettyjä lentoratojaan, saavuttavat seinän rakojen takana, ne ovat jotenkin vuorovaikutuksessa keskenään ja tämän vuorovaikutuksen seurauksena häiriökuvio ilmestyy jo itse seinälle. Toistaiseksi mikään kokeissamme ei ole ristiriidassa tämän tulkinnan kanssa - loppujen lopuksi, kun loistamme kirkkaan valon rakoon, lähetämme useita fotoneja kerralla. Koira tietää mitä siellä tekee.

Meillä on vastaus tähän tärkeään kysymykseen. Voimme heittää yhden fotonin kerrallaan. He lopettivat. Odotimme. Pudotti seuraavan. Katsomme seinää tarkasti ja huomaamme, minne nämä fotonit saapuvat. Yksittäinen fotoni ei tietenkään voi periaatteessa luoda havaittavaa interferenssikuviota - se on yksi, ja kun rekisteröimme sen, voimme nähdä sen vain tietyssä paikassa, emme kaikkialla kerralla. Kuitenkin takaisin analogiaan kiviin. Tässä yksi kivi. Hän osui seinään yhden raon takana (se, jonka läpi hän tietysti lensi). Tässä on toinen - jälleen lyöty paikan taakse. Me istumme. Me harkitsemme. Jonkin ajan kuluttua ja heittämällä tarpeeksi kiviä saamme jakauman - näemme, että paljon kiviä osuu seinään yhden aukon takana ja paljon toisen takana. Eikä missään muuallakaan. Teemme samoin fotonien kanssa - heitämme niitä yksi kerrallaan ja laskemme hitaasti kuinka monta fotonia lensi jokaiseen seinän paikkaan. Olemme pikkuhiljaa tulossa hulluksi, koska tuloksena oleva fotonien törmäystaajuuksien jakauma ei ole ollenkaan kahta pistettä vastaavien aukkojen alla. Tämä jakauma toistaa tarkasti häiriökuvion, jonka näimme loistaessamme kirkkaalla valolla. Mutta fotonit saapuivat nyt yksi kerrallaan! Yksi on tänään. Seuraava on huomenna. He eivät voineet olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa seinällä. Eli täysin kvanttimekaniikan mukaisesti yksi, erillinen fotoni on samanaikaisesti aalto, eikä mikään aalto ole sille vieras. Kokeemme fotonilla ei ole tiettyä liikerataa - jokainen yksittäinen fotoni kulkee molempien rakojen läpi kerralla ja ikään kuin häiritsee itseään. Voimme toistaa kokeen jättäen vain yhden raon avoimeksi - silloin fotonit tietysti ryhmittyvät sen taakse. Suljetaan ensimmäinen, avataan toinen, silti heitetään fotoneja yksi kerrallaan. Ne ryhmittyvät tietysti toisen avoimen paikan alle. Avaamme molemmat - tuloksena saatu jakauma paikoista, joissa fotonit haluavat klusteroitua, ei ole niiden jakaumien summa, jotka saadaan, kun vain yksi rako oli auki. Ne ovat edelleen ryhmittyneet halkeamien väliin. Tarkemmin sanottuna heidän suosikkipaikkansa klusterointiin ovat nyt vuorottelevat raidat. Tässä ne ryhmittyvät, seuraavassa ei, taas, kyllä, tumma, vaalea. Ah, häiriötä...

Mikä on superpositio ja spin.
Niin. Oletetaan, että ymmärrämme kaiken häiriöstä sellaisenaan. Katsotaanpa superpositiota. En tiedä miten sinulla menee kvanttimekaniikassa, olen pahoillani. Jos se on huonoa, sinun on otettava paljon uskoon, sitä on vaikea selittää pähkinänkuoressa.

Mutta periaatteessa olimme jo jossain lähellä - kun näimme, että yksittäinen fotoni lentää ikään kuin kahden raon läpi kerralla. Se voidaan sanoa yksinkertaisesti: fotonilla ei ole lentorataa, aalto ja aalto. Ja voimme sanoa, että fotoni lentää samanaikaisesti kahta lentorataa pitkin (tarkasti ottaen ei tietenkään edes kahta, vaan kaikki kerralla). Tämä on vastaava väite. Periaatteessa, jos seuraamme tätä polkua loppuun asti, tulemme "polun integraaliin" - Feynmanin kvanttimekaniikan muotoiluun. Tämä muotoilu on uskomattoman tyylikäs ja yhtä monimutkainen, sitä on vaikea käyttää käytännössä, varsinkin selittää perusasiat. Siksi emme mene loppuun asti, vaan pikemminkin meditoimme fotonia, joka lentää "kahta lentorataa pitkin kerralla". Klassisten käsitteiden merkityksessä (ja lentorata on hyvin määritelty klassinen käsite, joko kivi lentää suoraan tai ohi) fotoni on eri tiloissa samanaikaisesti. Jälleen kerran, lentorata ei ole edes aivan sitä mitä tarvitsemme, tavoitteemme ovat yksinkertaisempia, soitan vain tajuamaan ja tuntemaan tosiasia.

Kvanttimekaniikka kertoo meille, että tämä tilanne on sääntö, ei poikkeus. Mikä tahansa kvanttihiukkanen voi olla (ja yleensä on) "useassa tilassa" kerralla. Itse asiassa tätä lausuntoa ei pidä ottaa liian vakavasti. Nämä "useita tiloja" ovat itse asiassa klassinen intuitiomme. Määrittelemme erilaisia ​​"tiloja" joidenkin omien (ulkoisten ja klassisten) näkökohtiemme perusteella. Kvanttihiukkanen elää omien lakiensa mukaan. Hänellä on valtio. Piste. Sanonta "superpositiosta" tarkoittaa vain sitä, että tämä tila voi olla hyvin erilainen kuin klassisissa esityksissämme. Esittelemme klassisen liikeradan käsitteen ja sovellamme sitä fotoniin siinä tilassa, jossa se haluaa olla. Ja fotoni sanoo - "anteeksi, suosikkitilani on, että suhteessa näihin lentoratoihinne olen molemmilla kerralla!". Tämä ei tarkoita, että fotoni ei voisi ollenkaan olla tilassa, jossa liikerata on (enemmän tai vähemmän) määrätty. Suljetaan yksi rakoista - ja voimme jossain määrin sanoa, että fotoni lentää toisen läpi tiettyä rataa pitkin, jonka ymmärrämme hyvin. Eli sellainen valtio on periaatteessa olemassa. Avataan molemmat – fotoni mieluummin on superpositiossa.

Sama pätee muihinkin parametreihin. Esimerkiksi oma kulmamomentti tai spin. Muistatko kaksi elektronia, jotka voivat istua yhdessä samassa s-orbitaalissa - jos niillä on myös vastakkaiset spinit? Tämä on vain se. Ja fotonilla on myös spin. Fotonispin on hyvä, koska klassikoissa se itse asiassa vastaa valoaallon polarisaatiota. Eli käyttämällä kaikenlaisia ​​polarisaattoreita ja muita kiteitä, joita meillä on, voimme manipuloida yksittäisten fotonien spiniä (polarisaatiota), jos meillä on niitä (ja heillä on).

Eli takaisin. Elektronilla on spin (toivossa, että kiertoradat ja elektronit ovat sinulle rakkaampia kuin fotonit, joten kaikki on sama), mutta elektroni on täysin välinpitämätön sen suhteen, mikä "spin-tila" on. Spin on vektori ja voimme yrittää sanoa "spin näyttää ylöspäin". Tai "kierrätys näyttää alas" (suhteessa johonkin valitsemaansa suuntaan). Ja elektroni kertoo meille: "En välittänyt sinusta, voin olla molemmilla radalla molemmissa spin-tiloissa kerralla." Tässäkin on erittäin tärkeää, että monet elektronit eivät ole eri spin-tiloissa, joukossa yksi katsoo ylös, toinen alas ja jokainen yksittäinen elektroni on molemmissa tiloissa kerralla. Aivan kuten eri elektronit eivät kulje eri rakojen läpi, vaan yksi elektroni (tai fotoni) kulkee molempien rakojen läpi kerralla. Elektroni voi olla tilassa, jossa on tietty spin-suunta, jos sitä todella kysyy, mutta se ei tee sitä itsestään. Puolilaadullisesti tilannetta voidaan kuvata seuraavasti: 1) on kaksi tilaa, |+1> (spin up) ja |-1> (spin down); 2) periaatteessa nämä ovat kosher-tiloja, joissa elektroni voi olla olemassa; 3) kuitenkin, jos erityisiä ponnisteluja ei tehdä, elektroni "tahroituu" molempien tilojen päälle ja sen tila on suunnilleen |+1> + |-1>, tila, jossa elektronilla ei ole tiettyä spin-suuntaa. (ihan kuin lentorata 1+ lentorata 2, eikö niin?). Tämä on "valtioiden superpositio".

Tietoja aaltofunktion romahtamisesta.
Meillä on hyvin vähän jäljellä - ymmärtääksemme mitä mittaus ja "aaltofunktion romahtaminen" ovat. Aaltofunktio on se, mitä kirjoitimme edellä, |+1> + |-1>. Vain kuvaus tilasta. Yksinkertaisuuden vuoksi voimme puhua valtiosta itsestään sellaisenaan ja sen "romahtamisesta", sillä ei ole väliä. Näin tapahtuu: elektroni lentää itseensä sellaisessa määrittelemättömässä mielentilassa, olipa se ylhäällä tai alaspäin tai molemmissa yhtä aikaa. Täällä juostaan ​​jonkin pelottavan näköisen laitteen kanssa ja mitataan pyörimissuunta. Tässä tapauksessa riittää, että elektroni asetetaan magneettikenttään: niiden elektronien, joiden spin näyttää kentän suuntaa pitkin, tulee poiketa yhteen suuntaan, niiden, joiden spin on kenttää vastapäätä, pitäisi poiketa toiseen suuntaan. Istumme toisella puolella ja hieromme käsiämme - näemme mihin suuntaan elektroni on poikkeanut ja tiedämme heti, katsooko sen spin ylös vai alas. Fotonit voidaan laittaa polarisoivaan suodattimeen - jos polarisaatio (spin) on +1 - fotoni kulkee, jos -1, niin ei.

Mutta anteeksi - eihän elektronilla ollut tiettyä pyörimissuuntaa ennen mittausta? Se on koko pointti. Varmaa ei ollut, mutta se oli ikään kuin ”sekoitettu” kahdesta tilasta kerralla, ja jokaisessa näistä tiloista oli hyvin suora suunta. Mittausprosessissa pakotamme elektronin päättämään, kuka olla ja mistä katsoa - ylös tai alas. Yllä olevassa tilanteessa emme tietenkään voi periaatteessa etukäteen ennustaa, minkä päätöksen tietty elektroni tekee lentäessään magneettikenttään. 50 prosentin todennäköisyydellä hän voi päättää "ylös", samalla todennäköisyydellä - "alas". Mutta heti kun hän päättää tämän, hän on tilassa, jolla on tietty pyörimissuunta. "Mittauksemme" tuloksena! Tämä on "collapse" - ennen mittausta aaltofunktio (anteeksi, tila) oli |+1> + |-1>. Kun olimme "mitattu" ja nähty, että elektroni poikkesi tiettyyn suuntaan, sen spin-suunta määritettiin ja sen aaltofunktiosta tuli yksinkertaisesti |+1> (tai |-1>, jos se poikkesi toiseen suuntaan). Toisin sanoen valtio "romahti" yhdeksi sen komponenteista; Toista komponenttia ei enää "sekoiteta"!

Suuri osa alkuperäisen tekstin tyhjästä filosofoinnista oli omistettu tälle, enkä pidä sarjakuvan lopusta tähän. Sinne yksinkertaisesti piirretään silmä, ja kokemattomalla katsojalla voi ensinnäkin olla illuusio prosessin tietystä antroposentrisyydestä (he sanovat, että "mittaukseen" tarvitaan tarkkailija) ja toiseksi sen ei-invasiivisuudesta (no, me katson vain!). Näkemykseni tästä aiheesta on esitetty edellä. Ensinnäkin "tarkkailijaa" sinänsä ei tietenkään tarvita. Riittää, että kvanttijärjestelmä saatetaan kosketuksiin suuren, klassisen järjestelmän kanssa, ja kaikki tapahtuu itsestään (elektronit lentävät magneettikenttään ja päättävät, keitä he ovat, riippumatta siitä, istummeko toisella puolella ja tarkkailemme tai ei). Toiseksi kvanttihiukkasen ei-invasiivinen klassinen mittaus on periaatteessa mahdotonta. Silmän piirtäminen on helppoa, mutta mitä tarkoittaa "katsoa fotonia ja selvittää, minne se lensi"? Nähdäksesi sinun täytyy saada fotoneja silmään, mieluiten paljon. Kuinka voimme järjestää niin, että monet fotonit saapuvat ja kertovat meille kaiken yhden valitettavan fotonin tilasta, jonka tilasta olemme kiinnostuneita? Loistaako hän taskulampulla? Ja mitä hänestä jää jäljelle sen jälkeen? On selvää, että meillä on erittäin vahva vaikutus hänen tilaansa, ehkä siinä määrin, ettei hän edes halua kiivetä johonkin kolikkopeleihin. Se ei ole niin mielenkiintoista. Mutta vihdoin päästiin mielenkiintoiseen osaan.

Tietoja Einstein-Podolsky-Rosen paradoksista ja koherenteista (kietoutuneista) fotonipareista
Tiedämme nyt tilojen superpositiosta, mutta toistaiseksi olemme puhuneet vain yhdestä hiukkasesta. Yksinkertaisuuden vuoksi. Mutta silti, entä jos meillä on kaksi hiukkasta? On mahdollista valmistaa hiukkaspari melko kvanttitilassa siten, että niiden yhteistä tilaa kuvaa yksi yhteinen aaltofunktio. Tämä ei tietenkään ole helppoa - kaksi mielivaltaista fotonia vierekkäisissä huoneissa tai elektronit vierekkäisissä koeputkissa eivät tiedä toisistaan, joten ne voidaan ja pitäisi kuvata täysin itsenäisesti. Siksi on vain mahdollista laskea esimerkiksi yhden elektronin sitoutumisenergia yhtä protonia kohti vetyatomissa olematta lainkaan kiinnostunut muista Marsin elektroneista tai edes viereisistä atomeista. Mutta jos teet erityistä vaivaa, niin kvanttitila, joka kattaa kaksi hiukkasta, voidaan luoda kerralla. Tätä kutsutaan "koherentiksi tilaksi" suhteessa hiukkaspareihin ja kaikenlaisiin kvanttipoistoihin ja tietokoneisiin, tätä kutsutaan myös sotkeutuneeksi tilaksi.

Siirrymme eteenpäin. Voimme tietää (tämän koherentin tilan valmistusprosessin asettamien rajoitusten vuoksi), että esimerkiksi kaksihiukkasjärjestelmämme kokonaisspin on nolla. Ei se mitään, tiedämme, että kahden elektronin spinien s-orbitaalissa on oltava vastasuuntaisia, eli kokonaisspin on nolla, eikä tämä pelota meitä ollenkaan, eikö niin? Emme tiedä, mihin tietyn hiukkasen spin osoittaa. Tiedämme vain, että minne hän katsookin, toisen pyörityksen täytyy katsoa toiseen suuntaan. Eli jos merkitsemme kahta hiukkastamme (A) ja (B), niin tila voi periaatteessa olla seuraava: |+1(A), -1(B)> (A katsoo ylös, B katsoo alas ). Tämä on sallittu tila, se ei riko asetettuja rajoituksia. Toinen mahdollisuus on |-1(A), +1(B)> (päinvastoin, A alas, B ylös). Myös mahdollinen tila. Eikö se muistuta sinua tiloista, jotka kirjoitimme hieman aikaisemmin yhden elektronin spinille? Koska kahden hiukkasen järjestelmämme, niin kauan kuin se on kvantti ja koherentti, voi (ja tulee olemaan) olla tilojen |+1(A) superpositiossa täsmälleen samalla tavalla; -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. Eli molemmat mahdollisuudet toteutetaan samanaikaisesti. Kuten fotonin molemmat liikeradat tai yhden elektronin spinin molemmat suunnat.

On paljon mielenkiintoisempaa mitata tällainen järjestelmä kuin yksittäinen fotoni. Oletetaan todellakin, että mittaamme vain yhden hiukkasen spinin, A. Olemme jo ymmärtäneet, että mittaus on kvanttihiukkaselle vakava jännitys, sen tila muuttuu suuresti mittausprosessin aikana, tapahtuu romahdus... Kaikki on totta , mutta - tässä tapauksessa on enemmän toista hiukkasta, B, joka on tiiviisti yhteydessä A: hen, niillä on yhteinen aaltofunktio! Oletetaan, että mittaamme spinin A suunnan ja näemme sen olevan +1. Mutta A:lla ei ole omaa aaltofunktiota (eli toisin sanoen omaa itsenäistä tilaa), jotta se voisi romahtaa arvoon |+1>. Kaikki mitä A:lla on, on tila, joka on "kietossa" (kietoutunut) B:n kanssa, joka on kirjoitettu edellä. Jos mittaus A antaa +1 ja tiedämme, että A:n ja B:n spinit ovat antirinnakkaiset, tiedämme, että B:n spin osoittaa alaspäin (-1). Parin aaltofunktio romahtaa mihin tahansa, tai se voi vain |+1(A); -1(B)>. Kirjoitettu aaltofunktio ei tarjoa meille muita mahdollisuuksia.

Toistaiseksi ei mitään? Luuletko, että täysi kierros säästyy? Kuvittele nyt, että loimme tällaisen parin A, B ja annoimme näiden kahden hiukkasen levitä eri suuntiin pysyen koherenteina. Yksi (A) lensi Merkuriukseen. Ja toinen (B), vaikkapa Jupiterille. Juuri tällä hetkellä tapahtuimme Merkuriuksella ja mittasimme pyörimissuunnan A. Mitä tapahtui? Sillä hetkellä tiesimme spinin B suunnan ja muutimme B:n aaltofunktiota! Huomaa, että tämä ei ole ollenkaan sama kuin klassikoissa. Anna kahden lentävän kiven pyöriä akselinsa ympäri ja kerro meille varmasti, että ne pyörivät vastakkaisiin suuntiin. Jos mittaamme yhden pyörimissuunnan, kun se saavuttaa Merkuriuksen, tiedämme myös toisen pyörimissuunnan, missä se sillä hetkellä on, jopa Jupiterilla. Mutta nämä kivet pyörivät aina tiettyyn suuntaan ennen mittauksiamme. Ja jos joku mittaa Jupiteriin lentävän kiven, niin hän (a) saa saman ja melko varman vastauksen riippumatta siitä, mitattiinko jotain Merkuriuksella vai ei. Fotoneillamme tilanne on täysin erilainen. Yhdelläkään niistä ei ollut varmaa pyörimissuuntaa ollenkaan ennen mittausta. Jos joku ilman osallistumistamme päättäisi mitata spin B suunnan jossain Marsin alueella, mitä hän saisi? Aivan oikein, 50 prosentin todennäköisyydellä hän näkee +1, 50 prosentin todennäköisyydellä -1. B:llä on sellainen tila, superpositio. Jos joku päättää mitata spinin B välittömästi sen jälkeen, kun olemme jo mitanneet spinin A, nähneet +1 ja saaneet *koko*-aaltofunktion romahtamaan,
niin hän saa mittauksen tuloksena vain -1, 100% todennäköisyydellä! Vasta mittaushetkellä A lopulta päätti, kuka hänen pitäisi olla ja "valitsi" spinin suunnan - ja tämä valinta vaikutti välittömästi * koko * aaltofunktioon ja B:n tilaan, joka sillä hetkellä on jo Jumalassa tietää missä.

Juuri tätä ongelmaa kutsutaan "kvanttimekaniikan epäpaikallisuudeksi". Tunnetaan myös Einstein-Podolsky-Rosen-paradoksina (EPR-paradoksina), ja siihen liittyy yleisesti poistamisessa tapahtuva. Ehkä olen tietysti ymmärtänyt jotain väärin, mutta minun makuuni poistaminen on mielenkiintoista, koska se on vain kokeellinen osoitus epäpaikallisuudesta.

Yksinkertaistettuna poistokoe voi näyttää tältä: luoda koherentit (kietoutuvat) fotoniparit. Yksi kerrallaan: pari, sitten seuraava ja niin edelleen. Kussakin parissa yksi fotoni (A) lentää yhteen suuntaan ja toinen (B) toiseen suuntaan. Kaikki kuten olemme jo keskustelleet hieman korkeammalla. Laitamme fotoni B:n polulle kaksoisraon ja katsomme, mitä tämän raon takana olevalla seinällä näkyy. Ilmestyy interferenssikuvio, koska jokainen fotoni B, kuten tiedämme, lentää pitkin molempia lentoratoja, molempien rakojen läpi kerralla (muistamme edelleen häiriön, jolla aloitimme tämän tarinan, eikö niin?). Se, että B liittyy edelleen koherentisti A:han ja sillä on yhteinen aaltofunktio A:n kanssa, on hänelle melko violetti. Monimutkaisemme kokeen: peitämme yhden raon suodattimella, joka päästää läpi vain fotonit, joiden spin on +1. Peitämme toisen suodattimella, joka läpäisee vain fotonit spinillä (polarisaatio) -1. Nautimme edelleen häiriökuviosta, koska parin A yleisessä tilassa B (|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, kuten me muista), on tiloja B, joissa on molemmat pyöräytykset. Eli "osa" B voi mennä yhden suodattimen / raon läpi, osa - toisen läpi. Aivan kuten ennenkin, yksi "osa" lensi yhtä lentorataa pitkin, toinen toista (tämä on tietysti puhekuva, mutta tosiasia pysyy).

Lopuksi huipentuma: jonnekin Merkuriukseen tai vähän lähemmäksi optisen pöydän toiseen päähän laitamme polarisoivan suodattimen fotonien A tielle ja ilmaisimen suodattimen taakse. Olkoon varmuuden vuoksi tämä uusi suodatin läpäisee vain fotonit, joiden spin +1. Joka kerta kun ilmaisin laukeaa, tiedämme, että fotoni A on ohittanut spin +1 (spin -1 ei ohita). Mutta tämä tarkoittaa, että koko parin aaltofunktio on romahtanut ja fotonimme "veljellä", fotonilla B, on tällä hetkellä vain yksi mahdollinen tila -1. Kaikki. Fotoni B:llä "ei ole mitään" nyt ryömittävää, aukko on peitetty suodattimella, joka päästää vain polarisaatio +1:n läpi. Hänellä ei vain ollut sitä osaa. Tämä fotoni B on erittäin helppo "tunnistaa". Muodostamme parin yksitellen. Kun rekisteröimme suodattimen läpi kulkevan fotoni A, kirjaamme ajan, jolloin se saapui. Puoli yksi esimerkiksi. Tämä tarkoittaa, että hänen "veljensä" B lentää seinälle puoli kolmelta. No, tai klo 1:36, jos hän lentää hieman pidemmälle ja siten pidempään. Siellä ennätetään myös aikoja, eli voimme verrata kuka on kuka ja kuka on suhteessa keneen.

Joten jos katsomme nyt, mikä kuva näkyy seinällä, emme löydä häiriöitä. Jokaisesta parista peräisin oleva fotoni B kulkee joko yhden tai toisen raon läpi. Seinällä on kaksi kohtaa. Poista nyt suodatin fotonien A reitiltä. Häiriökuvio palautetaan.

… ja lopuksi viivästyneestä valinnasta
Tilanne muuttuu melko rumaksi, kun fotonilla A kestää kauemmin lentää suodattimelleen/ilmaisimelleen kuin fotonilla B kulkee rakoihin. Teemme mittauksen (ja saamme A:n ratkaisemaan ja aaltofunktion romahtamaan) sen jälkeen, kun B:n olisi pitänyt jo osua seinään ja luoda interferenssikuvio. Kuitenkin niin kauan kuin mittaamme A, jopa "myöhemmin kuin pitäisi", B-fotonien häiriökuvio katoaa edelleen. Poistamme A:n suodattimen - se palautetaan. Tämä on jo viivästetty poisto. En voi sanoa ymmärtäväni hyvin, minkä kanssa sitä syödään.

Korjauksia ja selvennyksiä.
Kaikki oli oikein, väistämättömin yksinkertaistuksin, kunnes rakensimme laitteen, jossa oli kaksi sotkeutunutta fotonia. Ensinnäkin fotonilla B on interferenssiä. Suodattimet eivät näytä toimivan. Sinun on suljettava levyt, jotka muuttavat polarisaation lineaarisesta pyöreäksi. Vaikea selittää 😦 Mutta siitä ei ole kyse. Pääasia on, että kun suljemme paikat eri suodattimilla tällä tavalla, häiriöt katoavat. Ei sillä hetkellä, kun mittaamme fotoni A, vaan välittömästi. Hankala temppu on se, että asettamalla levyn suodattimet "merkitsimme" fotonit B. Toisin sanoen fotonit B sisältävät lisätietoa, jonka avulla voimme selvittää tarkalleen, minkä lentoradan kautta ne lensivät. *Jos* mittaamme fotoni A, voimme selvittää tarkalleen, minkä lentoradan ohi B lensi, mikä tarkoittaa, että B ei häiritse. Hienovaraisuus piilee siinä, että A:ta ei tarvitse fyysisesti "mittaa"! Tässä olin viimeksi väärässä. A:ta ei tarvitse mitata, jotta häiriö häviää. Jos *on mahdollista* mitata ja selvittää, millä radalla fotoni B lensi, niin tässä tapauksessa ei ole häiriöitä.

Itse asiassa on silti mahdollista selviytyä. Siellä, alla olevasta linkistä, ihmiset jotenkin avuttomasti kohauttavat käsiään, mutta mielestäni (ehkä olen taas väärässä? 😉) selitys on tämä: laittamalla suodattimia aukkoihin olemme jo muuttaneet järjestelmää paljon. Sillä ei ole väliä, rekisteröimmekö todella polarisaation tai lentoradan, jota pitkin fotoni kulki tai heilutimme kättämme viime hetkellä. On tärkeää, että olemme "valmistaneet" kaiken mittausta varten, olemme jo vaikuttaneet tiloihin. Siksi itse asiassa "mittaus" (tietoisen humanoiditarkkailijan mielessä, joka toi lämpömittarin ja kirjasi tuloksen päiväkirjaan) ei vaadi mitään. Kaikki on jossain mielessä (järjestelmän vaikutuksen kannalta) jo ”mitattu”. Lausunto muotoillaan yleensä seuraavasti: "*jos* mittaamme fotonin A polarisaatiota, niin tiedämme fotonin B polarisaation ja siten sen liikeradan, no, koska fotoni B lentää tiettyä lentorataa pitkin, ei häiriöitä; emme ehkä edes mittaa fotonia A - riittää, että tämä mittaus on mahdollista, fotoni B tietää, että se voidaan mitata ja kieltäytyy häiritsemästä. Tässä on jonkin verran mystiikkaa. No, hän kieltäytyy. Yksinkertaisesti siksi, että järjestelmä oli valmistettu sillä tavalla. Jos järjestelmässä on lisäinformaatio(on tapa) määrittää kumman kahdesta liikeradalta fotoni lensi, silloin ei ole häiriöitä.

Jos kerron, että olen järjestänyt kaiken niin, että fotoni lentää vain yhden raon läpi, ymmärrät heti, ettei häiriöitä tule, eikö niin? Voit juosta tarkistamaan (”mittaamaan”) ja varmistamaan, että puhun totta, tai voit uskoa sen joka tapauksessa. Jos en valehdellut, häiriöitä ei tapahdu riippumatta siitä, kiirehditkö tarkistamaan minua vai et 🙂 Vastaavasti ilmaus "voidaan mitata" tarkoittaa itse asiassa "järjestelmä on valmisteltu niin erityisellä tavalla, että ... ”. Valmisteltu ja valmis, eli tässä paikassa ei ole vieläkään romahtamista. Siellä on "merkittyjä" fotoneja eikä häiriöitä.

Tässä vielä - miksi tätä kaikkea kutsutaan poistamiseksi - meille sanotaan: toimitaan järjestelmään siten, että "pyyhkitään" nämä merkit fotoneista B - sitten ne alkavat taas häiritä. Mielenkiintoinen kohta, jota olemme jo lähestyneet, vaikkakin virheellisessä mallissa, on se, että fotonit B voidaan jättää rauhaan ja levyt voidaan jättää rakoihin. Voit vetää fotonin A, ja aivan kuten romahduksessa, sen tilan muutos aiheuttaa (ei-paikallisesti) muutoksen järjestelmän kokonaisaaltofunktiossa, joten meillä ei ole enää riittävästi tietoa määrittääksemme, mikä rako fotoni B meni läpi. Eli asetamme polarisaattorin fotonin A tielle - fotonien B häiriöt palautetaan. Viiveellä kaikki on ennallaan - teemme sen niin, että fotonilla A kestää kauemmin lentää polarisaattoriin kuin B:llä koloihin. Ja joka tapauksessa, jos A:lla on polarisaattori matkalla, niin B häiritsee (vaikka ikään kuin "ennen kuin" A lensi polarisaattorille)!

Syötä. Voit, tai omalta sivustoltasi.

Klassinen fysiikka, joka oli olemassa ennen kvanttimekaniikan keksimistä, kuvaa luontoa tavallisessa (makroskooppisessa) mittakaavassa. Suurin osa klassisen fysiikan teorioista voidaan päätellä approksimaatioina, jotka toimivat meille tottuneilla asteikoilla. Kvanttifysiikka (se on myös kvanttimekaniikka) eroaa klassisesta tieteestä siinä, että kytketyn järjestelmän energia, liikemäärä, kulmamomentti ja muut suureet rajoittuvat diskreetteihin arvoihin (kvantisointi). Esineillä on erityispiirteitä sekä hiukkasten että aaltojen muodossa (aaltohiukkasten kaksinaisuus). Myös tässä tieteessä on rajansa tarkkuudella, jolla suuret voidaan mitata (epävarmuusperiaate).

Voidaan sanoa, että kvanttifysiikan tulon jälkeen eksaktissa tieteessä tapahtui eräänlainen vallankumous, joka mahdollisti kaikkien vanhojen lakien uudelleenarvioinnin ja analysoinnin, joita aiemmin pidettiin kiistattomina totuuksina. Onko se hyvä vai huono? Ehkä se on hyvä, koska tositieteen ei pitäisi koskaan pysähtyä.

"Kvanttivallankumous" oli kuitenkin eräänlainen isku vanhan koulun fyysikoille, jotka joutuivat hyväksymään sen tosiasian, että se, mihin he ennen uskoivat, osoittautui vain joukoksi virheellisiä ja arkaaisia ​​teorioita, jotka kaipasivat pikaista tarkistusta. ja sopeutuminen uuteen todellisuuteen. Useimmat fyysikot hyväksyivät innostuneesti nämä uudet ideat tunnetusta tieteestä ja osallistuivat sen tutkimiseen, kehittämiseen ja toteuttamiseen. Nykyään kvanttifysiikka asettaa dynamiikan koko tieteelle. Edistyneet kokeelliset projektit (kuten Large Hadron Collider) syntyivät juuri hänen ansiosta.

Avaaminen

Mitä voidaan sanoa kvanttifysiikan perusteista? Se syntyi vähitellen erilaisista teorioista, joiden tarkoituksena oli selittää ilmiöitä, joita ei voitu sovittaa yhteen klassisen fysiikan kanssa, kuten Max Planckin ratkaisu vuonna 1900 ja hänen lähestymistapansa monien tieteellisten ongelmien säteilyongelmaan sekä energian ja taajuuden vastaavuus vuoden 1905 artikkelissa. Albert Einstein, joka selitti valosähköisiä vaikutuksia. Kvanttifysiikan varhaisen teorian uudistivat perusteellisesti 1920-luvun puolivälissä Werner Heisenberg, Max Born ja muut. Nykyaikainen teoria on muotoiltu erilaisiin erityisesti kehitettyihin matemaattisiin käsitteisiin. Yhdessä niistä aritmeettinen funktio (tai aaltofunktio) antaa meille kattavaa tietoa impulssin sijainnin todennäköisyyden amplitudista.

Tieteellinen tutkimus Valon aaltoolemus sai alkunsa yli 200 vuotta sitten, jolloin tuon ajan suuret ja tunnustetut tiedemiehet ehdottivat, kehittivät ja todistivat valoteorian omiin kokeellisiin havaintoihinsa perustuen. He kutsuivat sitä aalloksi.

Vuonna 1803 kuuluisa englantilainen tiedemies Thomas Young suoritti kuuluisan kaksoiskokeensa, jonka seurauksena hän kirjoitti kuuluisan teoksen "Valon ja värin luonteesta", jolla oli valtava rooli nykyaikaisten käsitysten muodostamisessa näistä meille tutuista ilmiöistä. kaikki. Tämä kokeilu pelasi tärkeä rooli yleisesti ottaen tämän teorian.

Tällaisia ​​kokeita kuvataan usein erilaisissa kirjoissa, esimerkiksi "Fundamentals of Quantum Physics for Dummies". Nykyaikaisia ​​kokeiluja ylikellotuksen kanssa alkuainehiukkasia Esimerkiksi Higgsin bosonin etsintä Large Hadron Colliderissa (lyhennettynä LHC) suoritetaan nimenomaan käytännön vahvistuksen löytämiseksi monille puhtaasti teoreettisille kvanttiteorioille.

Tarina

Vuonna 1838 Michael Faraday löysi katodisäteet koko maailman iloksi. Näitä sensaatiomaisia ​​tutkimuksia seurasi Gustav Kirchhoffin lausunto säteilyongelmasta, niin sanotusta "musta kappaleesta" (1859), sekä Ludwig Boltzmannin kuuluisa oletus, että minkä tahansa fyysisen järjestelmän energiatilat voivat myös olla diskreetti (1877). ). Myöhemmin Max Planckin (1900) kehittämä kvanttihypoteesi ilmestyi. Sitä pidetään yhtenä kvanttifysiikan perustana. Rohkea väite, että energiaa voidaan sekä emittoida että absorboida erillisissä "kvanteissa" (tai energiapaketeissa), on täsmälleen linjassa mustan kehon säteilyn havaittavissa olevien kuvioiden kanssa.

Maailmankuulu Albert Einstein antoi suuren panoksen kvanttifysiikkaan. Kvanttiteorioista vaikuttuneena hän kehitti oman. yleinen teoria suhteellisuusteoria - niin sitä kutsutaan. Kvanttifysiikan löydöt vaikuttivat myös erityissuhteellisuusteorian kehitykseen. Monet tiedemiehet viime vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla alkoivat tutkia tätä tiedettä Einsteinin ehdotuksesta. Hän oli tuolloin eturintamassa, kaikki pitivät hänestä, kaikki olivat kiinnostuneita hänestä. Ei ihme, sillä hän sulki niin monia "reikiä" klassiseen fysiikan tieteeseen (hän ​​loi kuitenkin myös uusia), tarjosi tieteellisen perustelun aikamatkoille, telekineesille, telepatialle ja rinnakkaisille maailmoille.

Tarkkailijan rooli

Mikä tahansa tapahtuma tai tila riippuu suoraan tarkkailijasta. Yleensä näin kvanttifysiikan perusteet selitetään lyhyesti eksaktista tieteestä kaukana oleville ihmisille. Todellisuudessa kaikki on kuitenkin paljon monimutkaisempaa.

Tämä on täysin sopusoinnussa monien okkulttisten ja uskonnollisten perinteiden kanssa, jotka ovat vuosisatojen ajan vaatineet ihmisten kykyä vaikuttaa ympäröiviin tapahtumiin. Tämä on tavallaan myös perusta tieteelliselle selitykselle ekstrasensorisesta havainnosta, koska nyt väite, että ihminen (tarkkailija) pystyy vaikuttamaan fyysisiin tapahtumiin ajatuksen voimalla, ei vaikuta absurdilta.

Jokainen havaittavan tapahtuman tai objektin ominaistila vastaa havainnoijan ominaisvektoria. Jos operaattorin (tarkkailijan) spektri on diskreetti, havaittava kohde voi saavuttaa vain diskreetit ominaisarvot. Toisin sanoen tarkkailukohde ja sen ominaisuudet ovat täysin tämän operaattorin määrittämiä.

Toisin kuin perinteinen klassinen mekaniikka (tai fysiikka), konjugoitujen muuttujien, kuten aseman ja liikemäärän, samanaikaisia ​​ennusteita ei voida tehdä. Esimerkiksi elektronit voivat (tietyllä todennäköisyydellä) sijaita suunnilleen tietyllä avaruuden alueella, mutta niiden matemaattinen tarkka sijainti on todellisuudessa tuntematon.

Atomin ytimen ympärille voidaan piirtää vakion todennäköisyystiheyden ääriviivat, joita kutsutaan usein "pilviksi", jotta voidaan käsitellä, missä elektroni todennäköisimmin sijaitsee. Heisenbergin epävarmuusperiaate todistaa kyvyttömyyden paikantaa tarkasti hiukkasen konjugoituneen liikemäärän perusteella. Joillakin tämän teorian malleilla on puhtaasti abstrakti laskennallinen luonne, eivätkä ne tarkoita sovellettua arvoa. Niitä käytetään kuitenkin usein monimutkaisten vuorovaikutusten laskemiseen tasolla ja muissa hienovaraisissa asioissa. Lisäksi tämä fysiikan haara antoi tutkijoille mahdollisuuden olettaa monien maailmojen todellista olemassaoloa. Ehkä näemme heidät pian.

aaltofunktiot

Kvanttifysiikan lait ovat erittäin laajat ja vaihtelevat. Ne leikkaavat ajatuksen aaltofunktioista. Jotkut erikoiset luovat luonnostaan ​​vakion tai ajasta riippumattoman todennäköisyyksien hajauttamisen, esimerkiksi kun energian stationaaritilassa aika näyttää katoavan aaltofunktion suhteen. Tämä on yksi kvanttifysiikan vaikutuksista, joka on sille perustavanlaatuinen. Kummallinen tosiasia on, että aikailmiötä on muutettu radikaalisti tässä epätavallisessa tieteessä.

Häiriöteoria

On kuitenkin olemassa useita luotettavia tapoja kehittää ratkaisuja, joita tarvitaan toimimaan kvanttifysiikan kaavojen ja teorioiden kanssa. Yksi tällainen menetelmä, joka tunnetaan yleisesti "häiriöteoriana", käyttää analyyttistä tulosta alkeiskvanttimekaaniselle mallille. Se luotiin tuomaan tuloksia kokeista ja kehittämään entistä monimutkaisempi malli, joka liittyy yksinkertaisempaan malliin. Tässä on rekursio.

Tämä lähestymistapa on erityisen tärkeä kvanttikaaoksen teoriassa, joka on erittäin suosittu mikroskooppisen todellisuuden erilaisten tapahtumien tulkinnassa.

Säännöt ja lait

Kvanttimekaniikan säännöt ovat perustavanlaatuisia. He väittävät, että järjestelmän käyttöönottotila on ehdottoman perustavanlaatuinen (sillä on pistetuote). Toinen väite on, että tämän järjestelmän havaitsemat vaikutukset ovat samalla omituisia operaattoreita, jotka vaikuttavat vektoreihin juuri tässä väliaineessa. Ne eivät kuitenkaan kerro meille, missä Hilbert-avaruudessa tai mitkä operaattorit ovat olemassa Tämä hetki. Ne voidaan valita sopivasti kvantitatiivisen kuvauksen saamiseksi kvanttijärjestelmästä.

Merkitys ja vaikutus

Tämän epätavallisen tieteen syntymisen jälkeen monet kvanttimekaniikan tutkimuksen antiintuitiiviset näkökohdat ja tulokset ovat herättäneet äänekkäitä filosofisia keskusteluja ja monia tulkintoja. Jopa perustavanlaatuiset kysymykset, kuten erilaisten amplitudien ja todennäköisyysjakaumien laskentasäännöt, ansaitsevat yleisön ja monien johtavien tutkijoiden kunnioituksen.

Esimerkiksi eräänä päivänä hän surullisena huomautti, ettei hän ollut ollenkaan varma siitä, että kukaan tutkijoista ymmärsi kvanttimekaniikkaa ollenkaan. Steven Weinbergin mukaan kvanttimekaniikasta ei tällä hetkellä ole yksiselitteistä tulkintaa. Tämä viittaa siihen, että tiedemiehet ovat luoneet "hirviön", ymmärtääkseen ja selittääkseen täysin sen olemassaolon, jonka olemassaoloa he eivät itse pysty. Tämä ei kuitenkaan vahingoita tämän tieteen merkitystä ja suosiota millään tavalla, vaan houkuttelee nuoria asiantuntijoita, jotka haluavat ratkaista todella monimutkaisia ​​ja käsittämättömiä ongelmia.

Lisäksi kvanttimekaniikka on pakottanut maailmankaikkeuden objektiivisten fysikaalisten lakien täydelliseen tarkistamiseen, mikä on hyvä uutinen.

Kööpenhaminan tulkinta

Tämän tulkinnan mukaan meille klassisesta fysiikasta tunnettua kausaliteetin standardimääritelmää ei enää tarvita. Kvanttiteorioiden mukaan kausaalisuutta meille tavallisessa merkityksessä ei ole ollenkaan. Kaikki niissä olevat fysikaaliset ilmiöt selitetään pienimpien alkeishiukkasten vuorovaikutuksen näkökulmasta subatomitasolla. Tämä alue on näennäisestä epätodennäköisyydestä huolimatta erittäin lupaava.

kvanttipsykologia

Mitä voidaan sanoa kvanttifysiikan ja ihmistietoisuuden suhteesta? Tämä on kauniisti kirjoitettu Robert Anton Wilsonin vuonna 1990 kirjoittamassa kirjassa nimeltä Quantum Psychology.

Kirjassa esitetyn teorian mukaan kaikki aivoissamme tapahtuvat prosessit määräytyvät tässä artikkelissa kuvattujen lakien mukaan. Eli tämä on eräänlainen yritys mukauttaa kvanttifysiikan teoria psykologiaan. Tätä teoriaa pidetään paratieteellisenä, eikä akateeminen yhteisö tunnusta sitä.

Wilsonin kirja on tunnettu siitä, että hän tarjoaa siinä joukon erilaisia ​​tekniikoita ja käytäntöjä, joka tavalla tai toisella todistaa hypoteesinsa. Tavalla tai toisella lukijan on itse päätettävä, uskooko hän tällaisten yritysten soveltaa matemaattisia ja fysikaalisia malleja humanistisiin tieteisiin vai ei.

Jotkut ovat pitäneet Wilsonin kirjaa yrityksenä perustella mystistä ajattelua ja sitoa se tieteellisesti todistettuihin uusiin fysikaalisiin formulaatioihin. Tälle erittäin ei-triviaalille ja silmiinpistävälle teokselle on ollut kysyntää yli 100 vuotta. Kirjaa julkaistaan, käännetään ja luetaan ympäri maailmaa. Kuka tietää, kenties kvanttimekaniikan kehittymisen myötä tiedeyhteisön asenne kvanttipsykologiaan muuttuu.

Johtopäätös

Tämän merkittävän teorian ansiosta, josta tuli pian erillinen tiede, pystyimme tutkimaan ympäröivää todellisuutta subatomisten hiukkasten tasolla. Tämä on pienin taso kaikista mahdollisista, täysin saavuttamattomissa havainnoillemme. Se, mitä fyysikot tiesivät aiemmin maailmastamme, tarvitsee pikaista tarkistusta. Tästä ovat ehdottomasti kaikki samaa mieltä. Tuli ilmeiseksi, että eri hiukkaset voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa täysin käsittämättömillä etäisyyksillä, joita voimme mitata vain monimutkaisilla matemaattisilla kaavoilla.

Lisäksi kvanttimekaniikka (ja kvanttifysiikka) on osoittanut monien rinnakkaisten todellisuuksien, aikamatkailun ja muiden asioiden mahdollisuuden, joita pidettiin kautta historian vain tieteiskirjallisuuden tavarana. Tämä on epäilemättä valtava panos paitsi tieteen, myös ihmiskunnan tulevaisuuden kannalta.

Tieteellisen maailmankuvan ystäville tämä tiede voi olla sekä ystävä että vihollinen. Tosiasia on, että kvanttiteoria avaa laajat mahdollisuudet erilaisille spekulaatioille parastieteellisestä aiheesta, kuten on jo osoitettu yhden vaihtoehtoisen psykologisen teorian esimerkissä. Jotkut modernit okkultistit, esoteerikot ja vaihtoehtoisten uskonnollisten ja henkisten liikkeiden kannattajat (useimmiten psykokultit) kääntyvät tämän tieteen teoreettisten rakenteiden puoleen perustellakseen mystisten teorioidensa, uskomustensa ja käytäntöjensä rationaalisuutta ja totuutta.

Tämä on ennennäkemätön tapaus, kun teoreetikkojen yksinkertaiset olettamukset ja abstraktit matemaattiset kaavat johtivat todelliseen tieteelliseen vallankumoukseen ja loivat uuden tieteen, joka ylitti kaiken aiemmin tunnetun. Kvanttifysiikka on jossain määrin kumonnut aristotelilaisen logiikan lait, koska se on osoittanut, että valittaessa "joko-tai" on vielä yksi (tai ehkä useampi) vaihtoehto.

Fysiikka on kaikista tieteistä salaperäisin. Fysiikka antaa meille ymmärrystä ympäröivästä maailmasta. Fysiikan lait ovat ehdottomia ja pätevät kaikkiin poikkeuksetta riippumatta henkilöstä ja sosiaalisesta asemasta.

Tämä artikkeli on tarkoitettu yli 18-vuotiaille henkilöille.

Oletko jo yli 18?

Kvanttifysiikan perustavanlaatuisia löytöjä

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein ja monet muut ovat ihmiskunnan suuria oppaita mahtava maailma fyysikot, jotka profeettojen tavoin paljastivat ihmiskunnalle suurimmat salaisuudet maailmankaikkeus ja kyky hallita fyysisiä ilmiöitä. Heidän kirkkaat päänsä leikkaavat järjettömän enemmistön tietämättömyyden pimeyden ja opastähden tavoin osoittivat tietä ihmiskunnalle yön pimeydessä. Yksi näistä johtajista fysiikan maailmassa oli Max Planck, kvanttifysiikan isä.

Max Planck ei ole vain kvanttifysiikan perustaja, vaan myös maailmankuulun kvanttiteorian kirjoittaja. Kvanttiteoria on kvanttifysiikan tärkein osa. Yksinkertaisin sanoin Tämä teoria kuvaa mikrohiukkasten liikettä, käyttäytymistä ja vuorovaikutusta. Kvanttifysiikan perustaja toi meille myös monia muita tieteellisiä töitä, joista on tullut modernin fysiikan kulmakiviä:

• lämpösäteilyn teoria;
• erityinen suhteellisuusteoria;
• tutkimus termodynamiikan alalla;
• tutkimus optiikan alalla.

Kvanttifysiikan teoriasta mikrohiukkasten käyttäytymisestä ja vuorovaikutuksesta tuli perusta kondensoituneen aineen fysiikan, alkeishiukkasfysiikan ja korkean energian fysiikkaan. Kvanttiteoria selittää meille monien maailmamme ilmiöiden olemuksen - elektronisten tietokoneiden toiminnasta taivaankappaleiden rakenteeseen ja käyttäytymiseen. Tämän teorian luoja Max Planck antoi löytönsä ansiosta ymmärtää monien asioiden todellisen olemuksen alkuainehiukkasten tasolla. Mutta tämän teorian luominen ei ole kaukana tutkijan ainoasta ansiosta. Hän oli ensimmäinen, joka löysi maailmankaikkeuden peruslain - energian säilymisen lain. Max Planckin panosta tieteeseen on vaikea yliarvioida. Lyhyesti sanottuna hänen löytönsä ovat korvaamattomia fysiikan, kemian, historian, metodologian ja filosofian kannalta.

kvanttikenttäteoria

Lyhyesti sanottuna kvanttikenttäteoria on teoria mikrohiukkasten kuvauksesta, samoin kuin niiden käyttäytymisestä avaruudessa, vuorovaikutuksesta toistensa kanssa ja keskinäisistä muutoksista. Tämä teoria tutkii kvanttijärjestelmien käyttäytymistä ns. vapausasteiden sisällä. Tämä kaunis ja romanttinen nimi ei sano mitään monille meistä. Nukkeille vapausasteet ovat riippumattomien koordinaattien lukumäärä, jotka tarvitaan osoittamaan mekaanisen järjestelmän liike. Yksinkertaisesti sanottuna vapausasteet ovat liikkeen ominaisuuksia. Mielenkiintoisia löytöjä Alkuainehiukkasten vuorovaikutuksen alalla teki Steven Weinberg. Hän löysi niin kutsutun neutraalivirran - kvarkkien ja leptonien välisen vuorovaikutuksen periaatteen, josta hän sai Nobel palkinto vuonna 1979.

Max Planckin kvanttiteoria

1700-luvun 90-luvulla saksalainen fyysikko Max Planck ryhtyi tutkimaan lämpösäteilyä ja sai lopulta kaavan energian jakautumiselle. Näiden tutkimusten aikana syntynyt kvanttihypoteesi merkitsi kvanttifysiikan sekä 1900-luvulla löydetyn kvanttikenttäteorian alkua. Planckin kvanttiteoria on, että lämpösäteilyn aikana tuotettu energia säteilee ja absorboituu ei jatkuvasti, vaan episodisesti, kvanttisti. Vuodesta 1900 tuli tämän Max Planckin löydön ansiosta kvanttimekaniikan syntymävuosi. Kannattaa myös mainita Planckin kaava. Lyhyesti sanottuna sen olemus on seuraava - se perustuu kehon lämpötilan ja sen säteilyn suhteeseen.

Kvanttimekaaninen teoria atomin rakenteesta

Kvanttimekaaninen teoria atomin rakenteesta on yksi kvanttifysiikan ja ylipäätään fysiikan käsiteteorioista. Tämä teoria antaa meille mahdollisuuden ymmärtää kaiken materiaalin rakenteen ja avaa salassapitoverhon sen suhteen, mistä asiat todellisuudessa koostuvat. Ja tähän teoriaan perustuvat johtopäätökset ovat hyvin odottamattomia. Tarkastellaan lyhyesti atomin rakennetta. Mistä atomi siis oikein on tehty? Atomi koostuu ytimestä ja elektronien pilvestä. Atomin perusta, sen ydin, sisältää melkein koko atomin massan - yli 99 prosenttia. Ytimellä on aina positiivinen varaus, ja se määrää kemiallinen alkuaine, jonka osa atomi on. Mielenkiintoisin asia atomin ytimessä on, että se sisältää lähes koko atomin massan, mutta samalla se vie vain kymmenen tuhannesosan tilavuudestaan. Mitä tästä seuraa? Ja johtopäätös on hyvin odottamaton. Tämä tarkoittaa, että atomin tiheä aine on vain yksi kymmenesosa. Ja entä kaikki muu? Kaikki muu atomissa on elektronipilviä.

Elektronipilvi ei ole pysyvä eikä edes itse asiassa aineellinen aine. Elektronipilvi on vain todennäköisyys sille, että elektronit ilmaantuvat atomissa. Toisin sanoen ydin vie atomissa vain kymmenen tuhannesosan, ja kaikki muu on tyhjyyttä. Ja jos otamme huomioon, että kaikki ympärillämme olevat esineet, pölyhiukkasista taivaankappaleisiin, planeetoihin ja tähtiin, koostuvat atomeista, käy ilmi, että kaikki materiaali on itse asiassa yli 99 prosenttia tyhjyydestä. Tämä teoria vaikuttaa täysin uskomattomalta ja sen kirjoittaja ainakin harhaanjohtavalta ihmiseltä, koska ympärillä olevat asiat ovat vankan johdonmukaisia, niillä on painoa ja ne voidaan tuntea. Miten se voi koostua tyhjyydestä? Onko tähän aineen rakenteen teoriaan livahtanut virhe? Mutta tässä ei ole virhettä.

Kaikki materiaali näyttää tiheältä vain atomien välisen vuorovaikutuksen ansiosta. Asioilla on kiinteä ja tiheä konsistenssi vain atomien välisen vetovoiman tai hylkimisen vuoksi. Tämä antaa tiheyden ja kovuuden. kristallihila kemikaaleja, jotka muodostavat kaiken materiaalin. Mutta mielenkiintoinen kohta, kun muutetaan esimerkiksi lämpötilaolosuhteita ympäristöön, atomien väliset sidokset, eli niiden vetovoima ja hylkiminen, voivat heiketä, mikä johtaa kidehilan heikkenemiseen ja jopa sen tuhoutumiseen. Tämä selittää aineiden fysikaalisten ominaisuuksien muutoksen kuumennettaessa. Esimerkiksi kun rautaa kuumennetaan, se muuttuu nestemäiseksi ja voidaan muotoilla mihin tahansa muotoon. Ja kun jää sulaa, kidehilan tuhoutuminen johtaa aineen tilan muutokseen, ja se muuttuu kiinteästä nesteeksi. se kirkkaita esimerkkejä heikentää atomien välisiä sidoksia ja sen seurauksena kidehilan heikkenemistä tai tuhoutumista ja antaa aineen muuttua amorfiseksi. Ja syy sellaisiin salaperäisiin metamorfoosiin on juuri se, että aineet koostuvat tiheästä aineesta vain kymmenesosan verran ja kaikki muu on tyhjyyttä.

Ja aineet näyttävät olevan kiinteitä vain atomien välisten vahvojen sidosten vuoksi, joiden heikkeneessä aine muuttuu. Siten atomin rakenteen kvanttiteoria antaa meille mahdollisuuden tarkastella ympäröivää maailmaa täysin eri tavalla.

Atomiteorian perustaja Niels Bohr esitti mielenkiintoisen käsityksen siitä, että atomin elektronit eivät säteile energiaa jatkuvasti, vaan vain siirtymähetkellä niiden liikeratojen välillä. Bohrin teoria auttoi selittämään monia atomin sisäisiä prosesseja ja teki myös läpimurron kemian tieteessä selittäen Mendelejevin luoman taulukon rajan. Mukaan viimeinen elementti, joka voi olla olemassa ajassa ja tilassa, on sarjanumero satakolmekymmentäseitsemän, ja sadastakolmekymmentäkahdeksasosasta alkavia elementtejä ei voi olla olemassa, koska niiden olemassaolo on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Bohrin teoria selitti myös sellaisen fyysisen ilmiön luonteen kuin atomispektrit.

Nämä ovat vapaiden atomien vuorovaikutusspektrejä, jotka syntyvät, kun niiden välillä vapautuu energiaa. Tällaiset ilmiöt ovat tyypillisiä kaasumaisille, höyryisille ja plasmatilassa oleville aineille. Siten kvanttiteoria teki vallankumouksen fysiikan maailmassa ja antoi tutkijoille mahdollisuuden edetä paitsi tämän tieteen alalla, myös monien siihen liittyvien tieteiden alalla: kemia, termodynamiikka, optiikka ja filosofia. Ja antoi myös ihmiskunnan tunkeutua asioiden luonteen salaisuuksiin.

Ihmiskunnalla on vielä paljon tehtävää tietoisuudessaan ymmärtääkseen atomien luonteen, ymmärtääkseen niiden käyttäytymisen ja vuorovaikutuksen periaatteet. Kun ymmärrämme tämän, pystymme ymmärtämään ympäröivän maailman luonteen, koska kaikki, mikä meitä ympäröi, alkaen pölyhiukkasista ja päättyen itse aurinkoon, ja me itse - kaikki koostuu atomeista, joiden luonne on salaperäinen ja hämmästyttävä ja täynnä monia salaisuuksia.

• Käännös

Oxfordin yliopiston fyysikon Owen Maroneyn mukaan kaikki ovat puhuneet kvanttiteorian ilmestymisestä 1900-luvulla lähtien tämän teorian omituisuudesta. Kuinka se sallii hiukkasten ja atomien liikkua useisiin suuntiin samanaikaisesti tai pyöriä myötä- ja vastapäivään samaan aikaan. Mutta sanat eivät voi todistaa mitään. "Jos kerromme yleisölle, että kvanttiteoria on hyvin outoa, meidän on testattava tämä väite kokeellisesti", Maruni sanoo. "Muuten emme tee tiedettä, vaan puhumme kaikenlaisista kikkailuista taululla."

Tämä sai Maruni et al.:n kehittämään uuden sarjan kokeita paljastamaan aaltofunktion olemuksen - kvanttiomituuksien taustalla olevan salaperäisen olemuksen. Paperilla aaltofunktio on yksinkertaisesti matemaattinen kokonaisuus, jota merkitään kirjaimella psi (Ψ) (yksi noista väreistä), ja sitä käytetään kuvaamaan hiukkasten kvanttikäyttäytymistä. Kokeesta riippuen aaltofunktio antaa tutkijoille mahdollisuuden laskea todennäköisyys nähdä elektroni tietyssä paikassa tai todennäköisyys, että sen spin on ylös- tai alaspäin. Mutta matematiikka ei kerro, mikä aaltofunktio todella on. Onko se jotain fyysistä? Tai vain laskennallinen työkalu, jolla voidaan työskennellä tarkkailijan tietämättömyyden kanssa todellisesta maailmasta?

Testit, joilla kysymykseen vastataan, ovat hyvin hienovaraisia, ja niiden on silti annettava lopullinen vastaus. Mutta tutkijat ovat optimistisia, että loppu on lähellä. Ja he voivat vihdoin vastata kysymyksiin, jotka ovat vaivanneet kaikkia vuosikymmeniä. Voiko hiukkanen todella olla monessa paikassa samaan aikaan? Onko universumi jatkuvasti jaettu rinnakkaisiin maailmoihin, joista jokaisella on oma vaihtoehtoinen versiomme? Onko olemassa edes jotain "objektiivista todellisuutta"?

"Tällaisia ​​kysymyksiä syntyy ennemmin tai myöhemmin kenelle tahansa", sanoo Alessandro Fedrici, fyysikko Queenslandin yliopistosta (Australia). "Mikä on todella todellista?"

Kiistat todellisuuden olemuksesta alkoivat jo silloin, kun fyysikot havaitsivat, että aalto ja hiukkanen ovat vain saman kolikon kaksi puolta. Klassinen esimerkki on kaksoisrakokoe, jossa yksittäisiä elektroneja ammutaan esteeseen, jossa on kaksi rakoa: elektroni käyttäytyy ikään kuin se kulkisi kahden raon läpi samanaikaisesti ja luo raidallisen interferenssikuvion sen toiselle puolelle. Vuonna 1926 itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger keksi aaltofunktion kuvaamaan tätä käyttäytymistä ja johti yhtälön, joka voidaan laskea mihin tahansa tilanteeseen. Mutta ei hän eikä kukaan muukaan voinut sanoa mitään tämän toiminnon luonteesta.

Armo tietämättömyydessä

Käytännön kannalta sen luonne ei ole tärkeä. Niels Bohrin ja Werner Heisenbergin 1920-luvulla luoma Kööpenhaminalainen kvanttiteorian tulkinta käyttää aaltofunktiota yksinkertaisesti työkaluna havaintojen tulosten ennustamiseen, ajattelematta mitä todellisuudessa tapahtuu. "Fyysikoita ei voida syyttää tästä "hiljaa ja laske" -käyttäytymisestä, koska se on johtanut merkittäviin läpimurtoihin ydin- ja atomifysiikassa, kiinteän olomuodon fysiikassa ja hiukkasfysiikassa, sanoo Gene Brickmont, tilastofyysikko Belgian katolisesta yliopistosta. "Joten ihmisiä kehotetaan olemaan murehtimatta perustavanlaatuisia asioita."

Mutta jotkut ovat silti huolissaan. 1930-luvulle mennessä Einstein oli hylännyt Kööpenhaminan tulkinnan, ei vähiten siksi, että se antoi kahden hiukkasen sotkeutua aaltotoimintoihinsa, mikä johti tilanteeseen, jossa yhden hiukkasen mittaukset saattoivat välittömästi antaa tilan toiselle, vaikka ne olisivat erotettu toisistaan valtavia etäisyyksiä. Jotta Einstein ei kestäisi tätä "pelottavaa vuorovaikutusta etäisyydellä", halusi uskoa, että hiukkasten aaltofunktiot olivat epätäydellisiä. Hän sanoi, että ehkä hiukkasissa on joitain piilotettuja muuttujia, jotka määräävät mittauksen tuloksen, joita kvanttiteoria ei huomannut.

Kokeet ovat sittemmin osoittaneet pelottavan vuorovaikutuksen toteutettavuuden etänä, mikä hylkää käsityksen piilotetuista muuttujista. mutta se ei ole estänyt muita fyysikoita tulkitsemasta niitä omalla tavallaan. Nämä tulkinnat jakautuvat kahteen leiriin. Jotkut ovat samaa mieltä Einsteinin kanssa siitä, että aaltofunktio heijastaa tietämättömyyttämme. Näitä filosofit kutsuvat psi-episteemisiksi malleiksi. Toiset näkevät aaltofunktion todellisena asiana - psionic-mallina.

Ymmärtääksesi eron, harkitse ajatuskoetta, jonka Schrödinger kuvaili vuonna 1935 Einsteinille lähettämässään kirjeessä. Kissa on teräslaatikossa. Laatikon sisällä on näyte radioaktiivisesta materiaalista, jonka todennäköisyys on 50 % päästää hajoamistuotteen tunnissa, sekä laite, joka myrkyttää kissan, jos tuote havaitaan. Koska radioaktiivinen hajoaminen on kvanttitason tapahtuma, Schrödinger kirjoittaa, kvanttiteorian säännöt sanovat, että tunnin lopussa laatikon sisäpuolen aaltofunktion tulee olla sekoitus kuolleesta ja elävästä kissasta.

"Karkeasti sanottuna", Fedrichi sanoo lievästi, "psyyepisteemisessä mallissa laatikon kissa on joko elossa tai kuollut, emmekä vain tiedä sitä, koska laatikko on suljettu." Ja useimmissa psionisissa malleissa on samaa mieltä Kööpenhaminan tulkinnan kanssa: kunnes tarkkailija avaa laatikon, kissa on samanaikaisesti sekä elossa että kuolleena.

Mutta tässä kiista kiihtyy. Mikä tulkinta on totta? Tähän kysymykseen on vaikea vastata kokeellisesti, koska mallien välinen ero on hyvin hienovarainen. Niiden pitäisi pohjimmiltaan ennustaa sama kvanttiilmiö kuin erittäin onnistunut Kööpenhaminan tulkinta. Queenslandin yliopiston fyysikko Andrew White sanoo, että hänen 20-vuotisen kvanttitekniikan uransa aikana "tämä ongelma oli kuin valtava sileä vuori, jossa ei ollut reunuksia, joita ei voinut kiivetä".

Kaikki muuttui vuonna 2011, kun kvanttimittauslause julkaistiin, mikä näytti eliminoivan "aaltofunktion tietämättömyytenä" -lähestymistavan. Mutta lähemmin tarkasteltuna kävi ilmi, että tämä lause jättää heille riittävästi liikkumavaraa. Siitä huolimatta se on inspiroinut fyysikot pohtimaan vakavasti tapoja ratkaista kiista testaamalla aaltofunktion todellisuutta. Maruni oli jo kehittänyt periaatteessa toimivan kokeen, ja hän ja hänen kollegansa löysivät pian tavan saada se toimimaan käytännössä. Kokeen suorittivat viime vuonna Fedrici, White ja muut.

Ymmärtääksesi testin idean, kuvittele kaksi korttipakkaa. Yksi sisältää vain punaisia, toinen vain ässää. "Sinulle annetaan kortti ja pyydetään arvaamaan, mistä pakasta se on", sanoo Martin Ringbauer, fyysikko samasta yliopistosta. Jos se on punainen ässä, "on crossover, etkä voi sanoa varmaksi." Mutta jos tiedät kuinka monta korttia kussakin pakassa on, voit laskea kuinka usein tällainen epäselvä tilanne tapahtuu.

Fysiikka vaarassa

Samaa epäselvyyttä tapahtuu myös kvanttijärjestelmissä. Aina ei ole mahdollista saada selville esimerkiksi kuinka fotoni polarisoituu yhdellä mittauksella. "Oikeassa elämässä on helppo erottaa länsi etelästä lännestä, mutta kvanttijärjestelmissä se ei ole niin helppoa", White sanoo. Kööpenhaminan standardin tulkinnan mukaan polarisaatiosta ei ole mitään järkeä kysyä, koska kysymykseen ei ole vastausta - ennen kuin yksi lisämittaus määrittää vastauksen tarkasti. Mutta "aaltofunktio tietämättömyytenä" -mallin mukaan kysymys on järkevä - se on vain, että kokeessa, kuten korttipakkauksessa, ei ole tarpeeksi tietoa. Kuten karttojen kohdalla, on mahdollista ennustaa, kuinka monta epäselvyyttä voidaan selittää tällaisella tietämättömyydellä, ja verrata standarditeorian sallimaan suureen monitulkintaisuuteen.

Juuri tätä Fedrichi ja tiimi testasivat. Ryhmä mittasi fotonisäteen polarisaatiota ja muita ominaisuuksia ja löysi leikkaustason, jota ei voitu selittää "tietämättömyyden" malleilla. Tulos tukee vaihtoehtoista teoriaa - jos objektiivinen todellisuus on olemassa, niin aaltofunktio on olemassa. "Vaikuttavaa, että tiimi pystyi ratkaisemaan niin monimutkaisen ongelman niin yksinkertaisella kokeella", sanoo Andrea Alberti, fyysikko Bonnin yliopistosta (Saksa).

Johtopäätöstä ei ole vielä kaiverrettu graniittiin: koska ilmaisimet ottivat vain viidenneksen testissä käytetyistä fotoneista, on oletettava, että kadonneet fotonit käyttäytyivät täsmälleen samalla tavalla. Tämä on vahva oletus, ja ryhmä etsii parhaillaan tapoja vähentää tappioita ja tuottaa lopullisemman tuloksen. Samaan aikaan Oxfordin Maruni-tiimi työskentelee New South Walesin yliopiston (Australia) kanssa toistaakseen tämän kokeen helpommin jäljitettävillä ioneilla. "Seuraavan kuuden kuukauden aikana meillä on kiistaton versio tästä kokeilusta", Maruni sanoo.

Mutta vaikka ne onnistuisivat ja "aaltofunktio todellisuutena" -mallit voittaisivat, näillä malleilla on erilaisia ​​vaihtoehtoja. Kokeilijoiden on valittava yksi niistä.

Yhden varhaisimmista tulkinnoista teki 1920-luvulla ranskalainen Louis de Broglie ja laajensi sitä 1950-luvulla amerikkalainen David Bohm. Broglie-Bohmin mallien mukaan hiukkasilla on tietty sijainti ja ominaisuudet, mutta niitä ohjaa tietty "pilottiaalto", joka määritellään aaltofunktioksi. Tämä selittää kaksoisraon kokeen, koska pilottiaalto voi kulkea molempien rakojen läpi ja tuottaa interferenssikuvion, vaikka itse elektroni, sen vetämä, kulkee vain toisen kahdesta raosta.

Vuonna 2005 tämä malli sai odottamatonta tukea. Fyysikot Emmanuel Fort, nyt Pariisin Langevin-instituutissa, ja Yves Codier Pariisin yliopiston Diderot'sta kysyivät opiskelijoilta, mikä heidän mielestään oli yksinkertainen ongelma: tehdä koe, jossa tarjottimelle putoavat öljypisarat sulautuisivat yhteen. lokeron tärinää. Kaikkien pisaroiden ympärillä olevien yllätykseksi aallot alkoivat muodostua, kun alusta värähteli tietyllä taajuudella. "Pisarat alkoivat liikkua itsestään omilla aalloillaan", Fort sanoo. "Se oli kaksoisobjekti - aallon vetämä hiukkanen."

Sittemmin Fort ja Coudier ovat osoittaneet, että tällaiset aallot voivat ohjata hiukkasiaan kaksoisrakoisessa kokeessa täsmälleen pilottiaaltoteorian ennustamalla tavalla ja voivat toistaa muita kvanttivaikutuksia. Mutta tämä ei todista pilottiaaltojen olemassaoloa kvanttimaailmassa. "Meille kerrottiin, että sellaiset vaikutukset ovat mahdottomia klassisessa fysiikassa", sanoo Fort. "Ja tässä näytimme, mikä on mahdollista."

Toinen todellisuuspohjaisten mallien sarja, joka kehitettiin 1980-luvulla, yrittää selittää suurten ja pienten esineiden voimakasta ominaisuuksien eroa. "Miksi elektronit ja atomit voivat olla kahdessa paikassa samaan aikaan, mutta pöydät, tuolit, ihmiset ja kissat eivät", sanoo Angelo Basi, fyysikko Triesten yliopistosta (Italia). Nämä teoriat, jotka tunnetaan nimellä "romahdusmallit", sanovat, että yksittäisten hiukkasten aaltofunktiot ovat todellisia, mutta voivat menettää kvanttiominaisuuksiensa ja saattaa hiukkasen tiettyyn paikkaan avaruudessa. Mallit on rakennettu siten, että tällaisen romahtamisen todennäköisyys on yksittäiselle hiukkaselle erittäin pieni, joten kvanttiefektit hallitsevat atomitasolla. Mutta romahtamisen todennäköisyys kasvaa nopeasti, kun hiukkaset yhdistyvät, ja makroskooppiset esineet menettävät kokonaan kvanttiominaisuutensa ja käyttäytyvät klassisen fysiikan lakien mukaisesti.

Yksi tapa testata tätä on etsiä kvanttiefektejä suurista objekteista. Jos standardi kvanttiteoria on oikea, kokorajaa ei ole. Ja fyysikot ovat jo tehneet kaksoisrakokokeen suurilla molekyyleillä. Mutta jos romahdusmallit ovat oikein, kvanttiefektit eivät näy tietyn massan yli. Useat ryhmät suunnittelevat etsivänsä tätä massaa käyttämällä kylmiä atomeja, molekyylejä, metalliklustereita ja nanohiukkasia. He toivovat saavansa tuloksia seuraavan kymmenen vuoden aikana. "Näissä kokeissa on hienoa, että aiomme tutkia niitä kvanttiteoria tarkkoja testejä siellä, missä sitä ei ole vielä testattu”, Maruni sanoo.

Rinnakkaismaailmat

Yksi "aaltofunktio todellisuutena" -malli on jo tieteiskirjailijoiden tiedossa ja rakastama. Tämä on monien maailmojen tulkinta, jonka 1950-luvulla kehitti Hugh Everett, joka oli silloin opiskelija Princetonin yliopistossa New Jerseyssä. Tässä mallissa aaltofunktio määrää todellisuuden kehityksen niin voimakkaasti, että jokaisella kvanttimittauksella universumi jakautuu rinnakkaisiin maailmoihin. Toisin sanoen, kun avaamme laatikon kissan kanssa, luomme kaksi universumia - toisessa on kuollut kissa ja toisessa elävä.

Tätä tulkintaa on vaikea erottaa tavallisesta kvanttiteoriasta, koska niiden ennusteet ovat samat. Mutta viime vuonna Brisbanen Griffithin yliopiston Howard Wiseman ja kollegat keksivät testattavan multiverse-mallin. Heidän mallissaan ei ole aaltofunktiota - hiukkaset noudattavat klassista fysiikkaa, Newtonin lakeja. Ja kvanttimaailman omituiset vaikutukset näkyvät, koska hiukkasten ja niiden kloonien välillä rinnakkaisissa universumeissa on hylkiviä voimia. "Niiden välillä oleva hylkivä voima luo aaltoja, jotka leviävät kaikkien rinnakkaisten maailmojen läpi", Wiseman sanoo.

Käyttämällä tietokonesimulaatio, jossa 41 universumia oli vuorovaikutuksessa, he osoittivat, että malli toistaa karkeasti useita kvanttiefektejä, mukaan lukien hiukkasten liikeradat kaksoisrakokokeessa. Kun maailmojen lukumäärä kasvaa, häiriökuvio pyrkii todelliseen. Koska teorian ennusteet vaihtelevat eri maailmojen lukumäärän mukaan, Wiseman sanoo, että on mahdollista testata, onko multiversumimalli oikea – eli onko aaltofunktiota olemassa ja että todellisuus toimii klassisten lakien mukaan.

Koska aaltofunktiota ei tarvita tässä mallissa, se pysyy käyttökelpoisena, vaikka tulevat kokeet sulkevat pois "tietämättömyyden" mallit. Sen lisäksi säilyy muitakin malleja, esimerkiksi Kööpenhaminan tulkinta, joka väittää, ettei objektiivista todellisuutta ole, vaan vain laskelmia.

Mutta sitten, kuten White sanoo, tästä kysymyksestä tulee tutkimuksen kohde. Ja vaikka kukaan ei vielä tiedä, miten se tehdään, "todella mielenkiintoista olisi kehittää testi, joka tarkistaa, onko meillä objektiivista todellisuutta ollenkaan."