Objašnjenje kvantne fizike. Kvantna fizika i stvarnost. Što je stvarnije - svijest ili materija

Ajudeik Fleck, poljski epistemolog i mikrobiolog koji je nadahnuo Thomasa Kuhna da uvede koncept "paradigme", primijetio je da kada studenti početnici prvi put pogledaju preparate pod mikroskopom, isprva ne uspijevaju. Oni jednostavno ne vide što se nalazi na stakalcu.

S druge strane, često vide ono čega nema. Kako je ovo moguće? Odgovor je jednostavan: činjenica je da percepcija - osobito njeni složeni oblici - zahtijeva obuku i razvoj. Nakon nekog vremena svi učenici vide što se nalazi na predmetnom stakalcu.

Kvantna fizika

Valjda nisam u krivu
ako kažem da kvantna mehanika
nitko ne razumije.

— Richard Feynman, 1965. Nobelova nagrada za fiziku za razvoj kvantne elektrodinamike.

Onaj koji nije bio šokiran
kada se prvi put upoznao s kvantnom teorijom,
očito jednostavno nije razumio.
— Niels Bohr, dobitnik Nobelove nagrade 1922. za svoj rad na strukturi atoma.

S jedne strane, ova je teorija puna paradoksa, zagonetki i zbrke u pojmovima. S druge strane, nemamo ga mogućnosti odbaciti ili zanemariti, jer se u praksi pokazao kao najpouzdaniji alat za predviđanje ponašanja fizičkih sustava.

— David Albert, dr. sc

Ako dobitnici Nobelove nagrade za fiziku ne razumiju kvantnu teoriju, čemu se možemo nadati? Što učiniti ako vam stvarnost pokuca na vrata i kaže vam nešto potpuno neshvatljivo, zapanjujuće, zagonetno? Kako reagirate, kako živite dalje, koje opcije vidite pred sobom - sve to govori puno o vama, ali o tome ćemo u sljedećem poglavlju. A sada razgovarajmo o elektronima, fotonima, kvarkovima i o tome kako tako maleni objekt (ako je uopće objekt) može biti tako neshvatljiv, au isto vrijeme sposoban razdirati naš često savršeno organiziran i tako razumljiv svijet.

Na granici između poznatog i nepoznatog

Klasična Newtonova fizika temelji se na promatranju gustih objekata koji su nam poznati iz svakodnevnog iskustva, od padajućih jabuka do planeta u orbiti. Tijekom stoljeća njegovi zakoni su više puta testirani, potvrđeni i prošireni. Sasvim su razumljivi i omogućuju dobro predviđanje ponašanja fizičkih objekata, o čemu svjedoče i postignuća industrijske revolucije. Ali krajem 19. stoljeća, kada su fizičari počeli razvijati alate za proučavanje najmanjih komponenti materije, bili su zbunjeni: Newtonova fizika više ne funkcionira! Nije mogla niti objasniti niti predvidjeti rezultate njihovih eksperimenata.

Tijekom sljedećih sto godina razvio se potpuno novi opis svijeta sićušnih čestica. Poznato kao kvantna mehanika, kvantna fizika ili jednostavno kvantna teorija, ovo novo znanje ne istiskuje Newtonova fizika, koja još uvijek savršeno opisuje velike, makroskopske objekte. No, nova znanost hrabro ide tamo gdje je blokirana Newtonova fizika: u subatomski svijet.

„Naš je svemir vrlo čudan", kaže dr. Stuart Hameroff. „Navodno postoje dva skupa zakona koji njime upravljaju. Naš svakodnevni, “klasični” svijet, svijet naših uobičajenih prostornih i vremenskih mjerila, opisan je Newtonovim zakonima gibanja formuliranim prije više stotina godina. Međutim, kada prijeđemo na objekte na atomskoj razini, na scenu stupa potpuno drugačiji skup zakona. To su kvantni zakoni."

Činjenice ili fikcija?

Implikacije kvantne teorije su zapanjujuće (u nastavku ćemo pobliže pogledati pet velikih šokova) i podsjećaju na znanstvenu fantastiku: čestica može biti na dva ili više mjesta u isto vrijeme! (Jedan od nedavnih eksperimenata pokazao je da čestica može biti na tri tisuće mjesta odjednom!) Isti objekt može se pojaviti kao čestica legalizirana na jednom mjestu ili kao val koji se širi u prostoru i vremenu.

Einstein je tvrdio da ništa ne može putovati brže od svjetlosti, međutim, kvantna fizika je pokazala da subatomske čestice razmjenjuju informacije. odmah, kroz bilo koju udaljenost u prostoru.

Karakterizirana je klasična fizika determinizam: s obzirom na određeni skup početnih uvjeta (kao što su koordinate i brzina objekta), možemo točno odrediti gdje će se kretati. Kvantna fizika vjerojatnosni: mi nikada ne znamo točno kako će se određeni objekt ponašati.

klasična fizika mehanicistički: temelji se na pretpostavci da je jedino kroz razumijevanje pojedinih dijelova moguće razumjeti cjelinu. Nova fizika holistička: prikazuje svemir kao cjelinu, čiji su dijelovi međusobno povezani i utječu jedni na druge.

I, možda najvažnije, kvantna fizika izbrisala je jasnu kartezijansku granicu između subjekta i objekta, promatrača i promatranog, koja je dominirala znanošću 400 godina.

U kvantnoj fizici, promatrač utječe na promatrani objekt. Ne postoje izolirani promatrači mehaničkog Svemira - svi i sve sudjeluje u Svemiru. (Ova točka je toliko važna da ćemo joj posvetiti posebno poglavlje).

Pojam "kvant" u znanosti je prvi upotrijebio njemački znanstvenik Max Planck 1900. godine. Ova latinska riječ znači "količina", međutim, sada se koristi za označavanje najmanje količine materije ili energije.

Jedna od najdubljih filozofskih razlika između klasične mehanike
a kvantna mehanika leži u činjenici da je klasična mehanika od svojih temelja do vrha izgrađena na ideji koja je, kao što sada znamo,
ništa više od fantazije. To je ideja o mogućnosti pasivnog promatranja ... A kvantna mehanika je tu ideju odlučno opovrgla.

— David Albert, dr. sc

Šok #1 - prazan prostor

Počnimo s nečim što je većini nas poznato. Jedna od prvih pukotina u izgradnji Newtonove fizike bilo je otkriće da su atomi - navodno čvrste čestice koje čine svemir - sastavljeni uglavnom od praznog prostora. Koliko prazan? Ako jezgru atoma vodika povećamo na veličinu košarkaške lopte, tada će elektron koji se okreće oko nje biti na udaljenosti od trideset kilometara, a između njih - ništa. Dakle, dok gledate oko sebe, sjetite se da su stvarnost zapravo sićušne točkice materije okružene prazninom.

Međutim, nije baš tako. Ta navodna "praznina" uopće nije prazna: ona sadrži ogromnu količinu suptilne, ali iznimno snažne energije. Znamo da se gustoća energije povećava kako se krećemo prema sve finijim razinama stvarnosti (na primjer, nuklearna energija je milijun puta moćnija od kemijske energije). Znanstvenici sada kažu da jedan kubični centimetar praznog prostora sadrži više energije nego materije u cijelom poznatom svemiru. Iako znanstvenici ne mogu izravno mjeriti ovu energiju, mogu vidjeti rezultate ovog kolosalnog mora energije. Zaintrigirani? Pitajte što su "van der Waalsove sile" i "Casimirov učinak".

Niz česticu zečju rupu
Kad je Schrödinger formulirao svoju valnu jednadžbu, Heisenberg je rješavao isti problem koristeći ono što je tada bila napredna "matrična matematika". Međutim, pokazalo se da su njegovi izračuni previše nerazumljivi, nisu ni na koji način korelirali sa svakodnevnim iskustvom i tako uobičajenim jezičnim riječima kao što je "val", pa je jednadžba "vala" dobila prednost nad "transformacijama matrice". Međutim, sve su to samo analogije.

Svijet se ponaša točno onako kako sam mislio kad sam bio mali. Što reći o malom dječaku s njegovim snovima i fantazijama? Da je u zatočeništvu iluzija? Može biti. No, sumnjivo je da u kvantnoj mehanici nema ništa manje magije. Pitanje je: gdje je granica između fantastičnog i klimavog kvantnog svijeta i svijeta velikih objekata koji nam se čini tako čvrstim? Još dok sam bio tinejdžer, pitao sam se jesam li sačinjen od subatomskih čestica koje mogu činiti najfantastičnije stvari, možda i ja mogu činiti fantastične stvari?

— Mark

Udar broj 2 - čestica, val ili čestica vala?

Ne samo da su elementarne čestice odvojene ogromnim "prostorima", već kako prodiru sve dublje u atom, znanstvenici su otkrili da subatomske čestice (od kojih se atom sastoji) nisu čvrsta tijela. Očigledno, oni imaju dvostruku prirodu. Ovisno o tome kako ih promatrate, ponašaju se ili kao čestice ili kao valovi. Čestice su zasebni čvrsti objekti koji imaju određeni položaj u prostoru. Valovi, s druge strane, nisu čvrsta tijela i nisu lokalizirani u prostoru, već se u njemu šire (npr. zvučni valovi, valovi na vodi).

Kao val, elektron ili foton (čestica svjetlosti) nema točan položaj u prostoru, već postoji kao "polje vjerojatnosti". Kao čestica, polje vjerojatnosti kolabira (ili "kolabira") u čvrsti objekt čiji se položaj u vremenu i prostoru može odrediti.

Koliko god se činilo iznenađujuće, stanje čestice ovisi o samom činu mjerenja ili promatranja. Nemjereni i neopažljivi elektron ponaša se kao val. Vrijedi ga podvrgnuti promatranju u laboratoriju, a on se "sruši" u česticu čiji se položaj može lokalizirati.

Kako nešto može biti i čvrsta čestica i meki tekući val? Možda se ovaj paradoks može riješiti ako se prisjetimo onoga o čemu smo gore govorili: elementarnih čestica ponašati poput valova ili poput čestica. Ali "val" je samo analogija. Kao "čestica" - samo analogija iz našeg poznatog svijeta. Ideja o valnim svojstvima čestica razvila se u kvantnu teoriju zahvaljujući Erwinu Schrödingeru, koji je u svojoj poznatoj "valnoj jednadžbi" matematički opisao vjerojatnosti valnih svojstava čestice i prije nego što su opažene.

Kako bi naglasili da zapravo ne znaju s čime imaju posla i da nikada prije nisu vidjeli ništa slično, neki su fizičari odlučili ovaj fenomen nazvati "valnom česticom".

Sve dok je subatomski objekt u valovitom stanju, nemoguće je odrediti što će postati kada se promatra i lokalizira u prostoru. Postoji u stanju "višestrukih mogućnosti" koje se naziva superpozicija. To je kao bacanje novčića u mračnoj sobi. S matematičke točke gledišta, čak i nakon što padne na stol, ne možemo utvrditi je li pala glava ili rep. Ali čim se svjetlo upali, kolabiramo ("kolabiramo") superpoziciju, a novčić postaje ili glava ili rep. Promatrajući val, mi - baš kao i paljenjem svjetla u gornjem primjeru - urušavamo kvantnu superpoziciju i čestica se nalazi u "klasičnom" stanju koje se može mjeriti.

Šok #3 - Kvantni skokovi i vjerojatnost

Proučavajući atom, znanstvenici su otkrili da se elektron, napuštajući orbitu oko atomske jezgre, kreće prostorom na drugačiji način od običnih objekata - kreće se odmah. Drugim riječima, nestaje s jednog mjesta, iz jedne orbite, da bi se pojavila u drugoj orbiti. Ova pojava je nazvana kvantni skok.

Štoviše, pokazalo se da je nemoguće točno odrediti gdje će se elektron pojaviti ili kada će napraviti skok. Maksimalno što se može učiniti je odrediti vjerojatnost novog položaja elektrona (Schrödingerova valna jednadžba). „Stvarnost kakvu poznajemo svakog se trenutka rekreira iz oceana mogućnosti," kaže dr. Satinover. „Ali najmisterioznije je to što faktor koji bi odredio koja će se prilika iz ovog oceana realizirati, ne pripada fizičkom svemiru. Ne postoji proces koji to određuje."

Često se formulira na sljedeći način: kvantni događaji jedini su istinski slučajni događaji u svemiru.

Šok #4 - Načelo neizvjesnosti

U klasičnoj fizici, svi atributi objekta, uključujući njegov položaj i brzinu, mogu se izmjeriti s točnošću koja je ograničena samo tehnološkim mogućnostima eksperimentatora. Ali na kvantnoj razini, mjerenjem jednog pokazatelja, poput brzine, ne možete istovremeno dobiti točne vrijednosti drugih pokazatelja, poput koordinata. Ako znate gdje se objekt nalazi, ne možete znati koliko se brzo kreće. Ako znaš koliko se brzo kreće, ne znaš gdje je. I bez obzira na to koliko je vaša oprema precizna i moderna, nije moguće pogledati dalje od ovog vela.

Načelo nesigurnosti formulirao je Werner Heisenberg, jedan od pionira kvantne fizike. Ovo načelo kaže da koliko god se trudili, ne možete točno izmjeriti brzinu i položaj kvantnog objekta u isto vrijeme. Što se više fokusiramo na jedan od ovih pokazatelja, drugi postaje neizvjesniji.

Šok #5 - Nelokalnost, EPR, Bellov teorem i kvantni paradoks

Albert Einstein nije volio kvantnu fiziku (najblaže rečeno). Evo jedne od njegovih izjava o probabilističkoj prirodi kvantnih procesa: "Bog se ne kocka sa Svemirom." Na što je Niels Bohr odgovorio: "A ti ne govori Bogu što da radi!"

U pokušaju da opovrgnu kvantnu mehaniku, Einstein, Podolsky i Rosen (EPR) predložili su misaoni eksperiment 1935. kako bi pokazali koliko je nova teorija smiješna. Prilično su se vješto poigrali s jednim od zaključaka kvantne mehanike, na koji drugi znanstvenici nisu obraćali pozornost: ako izazovete stvaranje dviju čestica u isto vrijeme, one će biti izravno povezane jedna s drugom, odnosno bit će u stanju superpozicije. Ako ih zatim gađamo na suprotnim krajevima svemira i nakon nekog vremena nekako promijenimo stanje jedne čestice, druga će se čestica također odmah promijeniti i doći u isto stanje. Odmah!

Ta se ideja činila toliko apsurdnom da je Einstein takav fenomen nazvao "sablasnim djelovanjem na daljinu". Prema teoriji relativnosti, ništa ne može putovati brže od svjetlosti. I ovdje je brzina razmjene informacija beskonačna! Štoviše, ideja da jedan elektron može slijediti sudbinu drugog, koji se nalazi na drugom kraju svemira, jednostavno je bila u suprotnosti s općeprihvaćenim idejama o stvarnosti, utemeljenim na zdravom razumu.

Zatim je 1964. John Bell predložio teorem koji kaže da EPR pretpostavka pravedan! Stvari se upravo tako događaju, a pogrešna je ideja da su objekti lokalni – odnosno da postoje samo u jednoj točki prostora. Sve na svijetu nije lokalno. Elementarne čestice su blisko povezane jedna s drugom na nekoj razini. izvan vremena i prostora.

U godinama koje su prošle od objavljivanja Bellovog teorema, njegove su ideje više puta potvrđene u laboratoriju. Pokušajte to uzeti u svom umu na trenutak. Vrijeme i prostor, najtemeljnije značajke svijeta u kojem živimo, nekako su zamijenjeni u kvantnoj teoriji idejom da su svi objekti uvijek povezani jedni s drugima. Nije slučajno što je Einstein vjerovao da će takav zaključak dovesti do smrti kvantne mehanike. - jednostavno je besmisleno.

Ipak, očito je da ovaj fenomen pripada zakonima djelovanja Svemira. Zapravo, Schrodinger je jednom rekao da je blizak odnos između objekata ne jedan od zanimljivi aspekti kvantne fizike, ali najvažniji aspekt. Godine 1975. teorijski fizičar Henry Stapp nazvao je Bellov teorem "najdubljim otkrićem u znanosti". Napomena: rekao je u znanosti, ne u fizici.

Moje pitanje nije zašto je kvantna fizika tako zanimljiva?, nego zašto je TOLIKO LJUDI zainteresirano za kvantnu fiziku? Potkopava same temelje našeg razumijevanja svijeta. Ona tvrdi da najočitije stvari koje sigurno ZNAMO jednostavno nisu istinite. Pa ipak, fascinirao je milijune ljudi koji čak ni "nemaju znanstvenu crtu".

Skoro sam izludio Marka i Willa pitanjem “Zašto bih, dovraga, trebao ovo raditi tisuću puta na dan? Kakve to veze ima sa mnom? Zašto bi me zanimao ovaj idiotski svijet kvantaša - zar nema dovoljno idiotizma u mom vlastitom svijetu? Još uvijek nisam sigurna razumijem li sve ovo. Ali dr. Fred Alan Wolf jednom mi je rekao: “Ako misliš da sve razumiješ, onda uopće nisi čuo što ti je rečeno!” Ono što smo naučili istražujući sve ovo kvantno ludilo jest uživati ​​u kaosu i prihvatiti nepoznato, jer iz toga se rađaju uistinu velika iskustva!

Kakav je zvuk kolapsa jednog elektrona?

Kvantna fizika i mistika

Lako je uočiti dodirne točke između fizike i mistike. Objekti su razdvojeni u prostoru, ali su blisko povezani jedni s drugima (nelokalno); elektroni se kreću od točke A do točke B, ali ne prolaze između tih točaka; materija je (s matematičke točke gledišta) valna funkcija koja kolabira (tj. poprima postojanje u prostoru) tek kada se izmjeri.

Mistici bez poteškoća prihvaćaju sve te ideje, od kojih je većina mnogo starija od akceleratora čestica. Mnogi utemeljitelji kvantne mehanike bili su ozbiljno zainteresirani za duhovna pitanja. Niels Bohr koristio je Yin-Yang simbol u svom osobnom grbu; David Bohm vodio je duge rasprave s indijskim mudracem Krishnamurtijem; Erwin Schroednger predavao je o Upanišadama.

Ali služi li kvantna fizika dokaz mistični svjetonazor? Pitajte fizičare o tome i dobit ćete cijeli niz odgovora. Ako postavite ovo pitanje na zabavi fizičara i počnete čvrsto braniti bilo koji stav, prilično je vjerojatno(uostalom, vjerojatnost igra važnu ulogu u kvantnoj teoriji) da će započeti svađa.

S izuzetkom okorjelih materijalista, većina se znanstvenika slaže da smo još uvijek na stupnju analogija. Paralele su previše jasne da bismo ih zanemarili. I kvantna fizika i zen skloni su zauzeti paradoksalan pogled na svijet. Kao što je već spomenuti dr. Radin rekao: „Međutim, predložio i drugačiji pogled na svijet: ukazuje kvantna mehanika".

Pitanja o tome što uzrokuje kolaps valne funkcije i jesu li kvantni događaji doista slučajni dosad nisu dobili odgovor. Naravno, željeli bismo stvoriti istinski jedinstveni koncept stvarnosti, koji će svakako uključiti i nas same, ali ne možemo ne poslušati upozorenje modernog filozofa Kena Wilbera:

Rad ovih znanstvenika - Bohma, Pribrama, Wheelera i drugih - previše je važan da bi bio opterećen neobuzdanim zaključivanjem mistika. A misticizam je predubok da bi se mogao vezati uz ovu ili onu fazu znanstvenog teoretiziranja. Neka se međusobno cijene, a njihov dijalog i razmjena ideja nikada ne prestanu.

Stoga, kritizirajući određene aspekte nove paradigme, ne nastojim ohladiti interes za njezin daljnji razvoj. Jednostavno pozivam na jasnoću i preciznost u prikazivanju svih ovih pitanja, koja su, uzgred budi rečeno, iznimno složena.

Iza nas su milijarde genetskih života koji su nam dali ovo savršeno genetsko tijelo i savršeni genetski mozak. Tisuće i tisuće godina bile su potrebne da se razviju do takve razine da bismo vi i ja mogli voditi te razgovore o apstraktnom. Ako nam je dano da se utjelovimo u najveću evolucijsku mašineriju koja je ikada postojala - u našim tijelima koja imaju ljudsku
mozak znači da smo zaslužili pravo postavljati pitanja "što ako...".

— Rapa

zaključke

Zaključci? Da, šalite se! Ako imate saznanja, podijelite s nama. Ali u svakom slučaju, dobrodošli u svijet apstraktne misli pun prijepora, zagonetki, zadataka i otkrića. Znanost, misticizam, paradigme, stvarnost - pogledajte samo koliki je opseg ljudskih istraživanja, otkrića i rasprava!

Pogledajte kako ljudski um istražuje ovaj nevjerojatan svijet u kojem slučajno živimo.

NA ovaj naša istinska veličina.

Razmisli o tome...

- Prisjetite se primjera iz svog života kada ste se iskustvom uvjerili u djelovanje Newtonove fizike.

— Je li Newtonova fizika dosad definirala vašu paradigmu?

— Kada ste saznali za nepostojani fantastični kvantni svijet, je li se vaša paradigma promijenila? Ako da, kako?

Jeste li spremni ići dalje od poznatog?

— Prisjetite se primjera kvantnog učinka u svom životu.

- Tko ili što je tu "promatrač" koji određuje prirodu i mjesto "čestice"?

Unatoč zvučnosti i tajanstvenosti današnje teme, pokušat ćemo reći što kvantna fizika proučava jednostavnim riječima, koji dijelovi kvantne fizike imaju mjesto biti i zašto je kvantna fizika u načelu potrebna.

Materijal ponuđen u nastavku dostupan je svima za razumijevanje.

Prije nego što laprdamo o tome što proučava kvantna fizika, bilo bi umjesno podsjetiti se kako je sve počelo...

Do sredine 19. stoljeća čovječanstvo se uhvatilo u koštac s proučavanjem problema koji se nisu mogli riješiti pomoću aparata klasične fizike.

Niz pojava činilo se "čudnim". Na neka pitanja uopće nije odgovoreno.

Pedesetih godina 19. stoljeća William Hamilton, vjerujući da klasična mehanika nije u stanju točno opisati kretanje svjetlosnih zraka, predlaže vlastitu teoriju, koja je ušla u povijest znanosti pod imenom Hamilton-Jacobijev formalizam, koji se temeljio na postulatu valne teorije svjetlosti.

Godine 1885., nakon svađe s prijateljem, švicarski fizičar Johann Balmer empirijski je izveo formulu koja je omogućila izračunavanje valnih duljina spektralnih linija s vrlo velikom točnošću.

Balmer tada nije mogao objasniti razloge otkrivenih obrazaca.

Wilhelm Roentgen je 1895. godine, proučavajući katodne zrake, otkrio zračenje, koje je nazvao X-zrake (kasnije preimenovane u zrake), koje se odlikovalo snažnim prodornim karakterom.

Godinu dana kasnije, 1896., Henri Becquerel, proučavajući uranove soli, otkrio je spontano zračenje sličnih svojstava. Nova pojava nazvana je radioaktivnost.

Godine 1899. dokazana je valna priroda X-zraka.

Slika 1. Utemeljitelji kvantne fizike Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr

Godina 1901. obilježena je pojavom prvog planetarnog modela atoma, koji je predložio Jean Perrin. Nažalost, sam znanstvenik je napustio ovu teoriju, ne pronalazeći potvrdu za to sa stajališta teorije elektrodinamike.

Dvije godine kasnije, japanski znanstvenik Hantaro Nagaoka predložio je drugi planetarni model atoma, u čijem je središtu trebala biti pozitivno nabijena čestica, oko koje bi elektroni kružili u orbitama.

Ova teorija, međutim, nije uzimala u obzir zračenje koje emitiraju elektroni, pa stoga nije mogla, na primjer, objasniti teoriju spektralnih linija.

Osvrćući se na strukturu atoma, Joseph Thomson je 1904. godine prvi protumačio pojam valencije s fizikalnog stajališta.

Godina rođenja kvantne fizike možda se može prepoznati kao 1900., povezujući s njom govor Maxa Plancka na sastanku Njemačke fizike.

Upravo je Planck predložio teoriju koja je ujedinila mnoge do tada različite fizikalne pojmove, formule i teorije, uključujući Boltzmannovu konstantu, vezu energije i temperature, Avogadrov broj, Wienov zakon pomaka, naboj elektrona, Boltzmannov zakon zračenja...

Također je uveo pojam kvanta djelovanja (druga - nakon Boltzmannove konstante - temeljna konstanta).

Daljnji razvoj kvantne fizike izravno je povezan s imenima Hendrika Lorentza, Alberta Einsteina, Ernsta Rutherforda, Arnolda Sommerfelda, Maxa Borna, Nielsa Bohra, Erwina Schrödingera, Louisa de Brogliea, Wernera Heisenberga, Wolfganga Paulija, Paula Diraca, Enrica Fermija i mnogi drugi izvanredni znanstvenici, nastali u prvoj polovici 20. stoljeća.

Znanstvenici su uspjeli razumjeti prirodu elementarnih čestica s neviđenom dubinom, proučiti interakcije čestica i polja, otkriti kvarkovsku prirodu materije, izvesti valnu funkciju i objasniti temeljne koncepte diskretnosti (kvantizacije) i dualnosti val-čestica.

Kvantna teorija, kao nijedna druga, približila je čovječanstvo razumijevanju temeljnih zakona svemira, zamijenila uobičajene koncepte točnijima i natjerala nas da preispitamo ogroman broj fizičkih modela.

Što proučava kvantna fizika?

Kvantna fizika opisuje svojstva materije na razini mikrofenomena, istražujući zakone gibanja mikroobjekata (kvantnih objekata).

Predmet kvantne fizike su kvantni objekti dimenzija 10 −8 cm ili manje. To:

• molekule,
• atomi,
• atomske jezgre,
• elementarne čestice.

Glavne karakteristike mikroobjekata su masa mirovanja i električni naboj. Masa jednog elektrona (me) je 9,1 10 −28 g.

Usporedbe radi, masa miona je 207 me, neutrona je 1839 me, a protona je 1836 me.

Neke čestice uopće nemaju masu mirovanja (neutrino, foton). Njihova masa je 0 me.

Električni naboj bilo kojeg mikroobjekta je višekratnik naboja elektrona koji je jednak 1,6 · 10 −19 C. Uz nabijene postoje i neutralni mikroobjekti, čiji je naboj jednak nuli.

Slika 2. Kvantna fizika prisiljena preispitati tradicionalne poglede na koncepte valova, polja i čestica

Električni naboj složenog mikroobjekta jednak je algebarskom zbroju naboja njegovih sastavnih čestica.

Među svojstvima mikroobjekata je vrtjeti(doslovno prevedeno s engleskog - "rotirati").

Uobičajeno je tumačiti ga kao kutni moment kvantnog objekta koji ne ovisi o vanjskim uvjetima.

Poleđini je teško naći adekvatnu sliku u stvarnom svijetu. Ne može se prikazati kao vrcaljka zbog svoje kvantne prirode. Klasična fizika ne može opisati ovaj objekt.

Prisutnost spina utječe na ponašanje mikroobjekata.

Prisutnost spina unosi značajne značajke u ponašanje objekata u mikrokozmosu, od kojih se većina - nestabilni objekti - spontano raspadaju, pretvarajući se u druge kvantne objekte.

Stabilni mikro-objekti, koji uključuju neutrine, elektrone, fotone, protone, kao i atome i molekule, mogu se raspasti samo pod utjecajem snažne energije.

Kvantna fizika potpuno apsorbira klasičnu fiziku, smatrajući je svojim graničnim slučajem.

Zapravo, kvantna fizika je - u širem smislu - moderna fizika.

Ono što kvantna fizika opisuje u mikrokozmosu se ne može percipirati. Zbog toga je mnoge odredbe kvantne fizike teško zamisliti, za razliku od objekata koje opisuje klasična fizika.

Unatoč tome, nove teorije omogućile su promjenu naših ideja o valovima i česticama, o dinamičkom i probabilističkom opisu, o kontinuiranom i diskretnom.

Kvantna fizika nije samo novonastala teorija.

Riječ je o teoriji koja je uspjela predvidjeti i objasniti nevjerojatan broj pojava - od procesa koji se odvijaju u atomskim jezgrama do makroskopskih učinaka u svemiru.

Kvantna fizika, za razliku od klasične fizike, proučava materiju na fundamentalnoj razini, dajući tumačenja fenomena okolne stvarnosti koja tradicionalna fizika nije u stanju dati (primjerice, zašto atomi ostaju stabilni ili jesu li elementarne čestice doista elementarne).

Kvantna teorija daje nam mogućnost da svijet opišemo točnije nego što je bilo prihvaćeno prije njezina nastanka.

Značaj kvantne fizike

Teorijski razvoj koji čini bit kvantne fizike primjenjiv je na proučavanje i nezamislivo velikih svemirskih objekata i iznimno malih elementarnih čestica.

kvantna elektrodinamika uranja nas u svijet fotona i elektrona, fokusirajući se na proučavanje interakcija među njima.

Kvantna teorija kondenzirane tvari produbljuje znanja o supertekućinama, magnetima, tekućim kristalima, amorfnim tijelima, kristalima i polimerima.

Slika 3. Kvantna fizika je čovječanstvu dala puno točniji opis svijeta oko nas

Znanstveno istraživanje posljednjih desetljeća usmjereno je na proučavanje strukture kvarkova elementarnih čestica u okviru samostalne grane kvantne fizike - kvantna kromodinamika.

Nerelativistička kvantna mehanika(ona koja je izvan okvira Einsteinove teorije relativnosti) proučava mikroskopske objekte koji se kreću relativno malom brzinom (manjom od), svojstva molekula i atoma, njihovu strukturu.

kvantna optika bavi se znanstvenim proučavanjem činjenica povezanih s manifestacijom kvantnih svojstava svjetlosti (fotokemijski procesi, toplinsko i stimulirano zračenje, fotoelektrični efekt).

kvantna teorija polja je objedinjujući dio koji uključuje ideje teorije relativnosti i kvantne mehanike.

Znanstvene teorije razvijene u okviru kvantne fizike dale su snažan poticaj razvoju kvantne elektronike, tehnologije, kvantne teorije čvrstih tijela, znanosti o materijalima i kvantne kemije.

Bez nastanka i razvoja spomenutih grana znanja bilo bi nemoguće stvoriti svemirske letjelice, nuklearne ledolomce, mobilne komunikacije i mnoge druge korisne izume.

Novi eksperiment mogao bi rasvijetliti iznenađujuću skrivenu mehaniku kvantnih superpozicija.

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

Glavno pitanje u kvantnoj mehanici, na koje nitko ne zna odgovor: što se zapravo događa u superpoziciji – nekoj vrsti stanja u kojem se čestice nalaze na dva ili više mjesta ili stanja u isto vrijeme? Skupina istraživača iz Izraela i Japana predložila je eksperiment koji će nam konačno omogućiti da saznamo nešto točno o prirodi ovog tajanstvenog fenomena.

Njihov eksperiment, za koji istraživači kažu da bi se mogao provesti u roku od nekoliko mjeseci, trebao bi omogućiti znanstvenicima da razumiju gdje se objekt - u konkretnom slučaju, čestica svjetlosti nazvana foton - zapravo nalazi kada je u superpoziciji. A istraživači predviđaju da će odgovor biti još čudniji i šokantniji od "dva mjesta odjednom".

Klasičan primjer superpozicije uključuje izbacivanje fotona kroz dva paralelna proreza u barijeri. Jedan od temeljnih aspekata kvantne mehanike je da se sićušne čestice mogu ponašati poput valova, tako da one koje prolaze kroz jedan prorez "ometaju" one koje prolaze kroz drugi, njihovo valovito mreškanje, povećavajući ili mijenjajući jedno drugo, stvarajući karakterističnu strukturu na detektoru zaslon. Čudno je, međutim, da se ova smetnja događa čak i ako se ispaljuje samo jedna čestica. Čini se da čestica prolazi kroz oba proreza odjednom. Ovo je superpozicija.

I to je vrlo čudno: mjerenje kroz koji prorez čestica prolazi uvijek pokazuje da prolazi kroz samo jedan prorez, au ovom slučaju interferencija valova ("kvantna", ako želite) nestaje. Čini se da sam čin mjerenja "uništava" superpoziciju. " Znamo da se nešto čudno događa u superpoziciji kaže fizičar Avshalom Elitzer s Izraelskog instituta za napredne studije. “Ali to ne možete izmjeriti. To je ono što kvantnu mehaniku čini tako tajanstvenom.”

Desetljećima su istraživači zastajali u ovoj prividnoj slijepoj ulici. Ne mogu točno reći što je superpozicija, a da je ne promatraju; ali ako ga pokušaju pogledati, nestat će. Jedno moguće rješenje, koje je razvio Elitzurov bivši mentor, izraelski fizičar Yakir Aaharonov sa Sveučilišta Chapman i njegovi suradnici, predlaže način da se nešto nauči o kvantnim česticama prije mjerenja. Aharonov pristup naziva se formalizam dva stanja (TSVF) kvantne mehanike, a postulati kvantnih događaja su u određenom smislu određeni kvantnim stanjima ne samo u prošlosti nego i u budućnosti. To jest, TSVF pretpostavlja da kvantna mehanika radi na isti način i naprijed i unatrag u vremenu. S ove točke gledišta, čini se da se uzroci mogu širiti unatrag kroz vrijeme, pojavljujući se nakon posljedica.

Ali ovaj čudan koncept ne treba shvatiti doslovno. Najvjerojatnije se u TSVF-u može dobiti retrospektivna spoznaja o tome što se dogodilo u kvantnom sustavu: umjesto jednostavnog mjerenja gdje čestica završava, istraživač odabire određeno mjesto za traženje. To se zove naknadni odabir i daje više informacija nego bilo koji bezuvjetni prikaz rezultata. To je zbog činjenice da se stanje čestice u svakom trenutku procjenjuje retrospektivno u svjetlu cijele njezine povijesti do mjerenja, uključujući i mjerenje. Ispada da istraživač - jednostavnim odabirom određenog rezultata za pretragu - tada dolazi do zaključka da se rezultat treba dogoditi. To je malo kao da upalite TV u trenutku kada bi trebao biti emitiran vaš omiljeni program, ali samim svojim činom uzrokujete da se taj program emitira baš u tom trenutku. "Opće je prihvaćeno da je TSVF matematički ekvivalentan standardnoj kvantnoj mehanici", kaže David Wallace, filozof znanosti sa Sveučilišta u Južnoj Kaliforniji koji se specijalizirao za tumačenje kvantne mehanike. "Ali to dovodi do toga da se neke stvari ne vide drugačije."

Uzmimo, na primjer, varijantu eksperimenta od dvije sekunde koji su razvili Aharonov i suradnik Lev Vaidman 2003. godine, a koju su interpretirali pomoću TSVF-a. Par je opisao (ali nije izgradio) optički sustav u kojem jedan foton djeluje kao "zatvarač" koji zatvara prorez, uzrokujući da se drugi "probni" foton približi prorezu i reflektira kao što se pojavio. Nakon mjerenja testnog fotona, kako su pokazali Akharonov i Vaidman, može se primijetiti fotografija zatvarača u superpoziciji koja istovremeno zatvara (ili čak proizvoljno mnogo) proreze istovremeno. Drugim riječima, ovaj misaoni eksperiment u teoriji mogao bi sa sigurnošću reći da je foton vrata i "ovdje" i "tamo" u isto vrijeme. Iako se ova situacija čini paradoksalnom iz našeg svakodnevnog iskustva, to je jedan dobro proučen aspekt takozvanih "ne-lokalnih" svojstava kvantnih čestica, gdje se cijela predodžba o dobro definiranom položaju u prostoru rastvara.

U 2016. fizičari Ryo Okamoto i Shigeki Takeuchi sa Sveučilišta u Kyotu eksperimentalno su potvrdili predviđanja Aharonova i Weidmana pomoću kruga svjetlosnog vodiča u kojem se fotografija zatvarača stvara pomoću kvantnog usmjerivača, uređaja koji omogućuje jednom fotonu da kontrolira putanju drugoga. "Ovo je bio revolucionarni eksperiment koji nam je omogućio da ustanovimo istodobni položaj čestice na dva mjesta", kaže Elitzurov kolega Eliahu Cohen sa Sveučilišta Ottawa u Ontariju.

Sada su se Elitzur i Koen udružili s Okamotom i Takeuchijem kako bi osmislili još nevjerojatniji eksperiment. Vjeruju da će ovo omogućiti istraživačima da sa sigurnošću saznaju više o lokaciji čestice u superpoziciji u nizu različitih točaka u vremenu prije nego što se izvrše bilo kakva stvarna mjerenja.

Ovaj put će putanja fotona sonde biti podijeljena ogledalima na tri dijela. Duž svake od ovih staza, može djelovati s fotonom vrata u superpoziciji. Može se zamisliti da se ove interakcije odvijaju u okvirima označenim s A, B i C, od kojih se svaki nalazi duž svake od tri moguće staze fotona. S obzirom na samosmetnju fotona sonde, moći će se retrospektivno sa sigurnošću zaključiti da se čestica vrata nalazila u određenom trenutku u datoj kutiji.

Eksperiment je osmišljen na takav način da foton sonde može pokazati smetnje samo u slučaju interakcije s fotonom vrata u određenom nizu mjesta i vremena: naime, ako je foton vrata bio u oba bloka A i C u nekom trenutku (t1), zatim kasnije (t2) - samo na C, i još kasnije (t3) - i na B i na C. Stoga bi interferencija u fotonu koji ispituje bila konačna indikacija da foton vrata doista prolazi kroz ovaj čudan slijed različitih pojava među kutijama u različitim vremenima je ideja Elitzura, Cohena i Aharonova, koji su prošle godine predložili da jedna čestica istovremeno prolazi kroz tri kutije. "Sviđa mi se kako ovaj članak postavlja pitanja o tome što se događa u smislu cijele povijesti, a ne trenutnih stanja", kaže fizičar Ken Wharton sa Državnog sveučilišta San Jose, koji nije uključen u novi projekt. "Razgovor o 'državama' stara je raširena predrasuda, dok su cijele priče puno bogatije i zanimljivije."

To je upravo ono čemu Elitzur tvrdi da novi TSVF eksperiment daje pristup. Očigledni nestanak čestica na jednom mjestu u isto vrijeme - i njihovo ponovno pojavljivanje na drugim mjestima iu drugim vremenima - sugerira novu i neobičnu viziju temeljnih procesa povezanih s ne-lokalnim postojanjem kvantnih čestica. Zahvaljujući TSVF leći, kaže Elitzur, ovo svjetlucavo, stalno promjenjivo postojanje može se shvatiti kao niz događaja u kojima je prisutnost čestice na jednom mjestu nekako "poništena" vlastitom "suprotnom stranom" na istom mjestu. . On to uspoređuje s konceptom koji je uveo britanski fizičar Paul Dirac 1920-ih, koji je tvrdio da čestice imaju antičestice, a ako se spoje, čestica i antičestica mogu jedna drugu poništiti. Ova se slika isprva činila samo načinom govora, no ubrzo je dovela do otkrića antimaterije. Nestanak kvantnih čestica nije "poništenje" u istom smislu, ali je donekle sličan - te navodne suprotne čestice, vjeruje Elitzur, trebale bi imati negativnu energiju i negativnu masu, što im omogućuje da ponište svoje dvojnike.

Pa dok se tradicionalna superpozicija "dva mjesta u isto vrijeme" može činiti prilično čudnom, "možda je superpozicija skup stanja koji je još luđi", kaže Elitzur. "Kvantna mehanika vam samo govori o njihovom prosječnom stanju." Naknadni odabir omogućuje izolaciju i testiranje samo nekih od tih stanja u višoj rezoluciji, predlaže on. Takvo tumačenje kvantnog ponašanja bilo bi, po njegovim riječima, "revolucionarno" jer bi za sobom povlačilo do sada neprihvatljivu menažeriju stvarnih (ali vrlo čudnih) stanja koja leže u pozadini kontradiktornih kvantnih fenomena.

Istraživači kažu da će provođenje stvarnog eksperimenta zahtijevati fino podešavanje performansi njihovih kvantnih usmjerivača, ali se nadaju da će njihov sustav biti spreman za to za tri do pet mjeseci. Dok neki promatrači to očekuju bez daha. "Eksperiment bi trebao uspjeti", kaže Wharton, "ali nikoga neće uvjeriti jer rezultate predviđa standardna kvantna mehanika." Drugim riječima, nema dobrog razloga za tumačenje rezultata u smislu TSVF-a.

Elitzur se slaže da je njihov eksperiment mogao biti osmišljen korištenjem konvencionalnog pogleda na kvantnu mehaniku koji je vladao prije nekoliko desetljeća, ali to se nikada nije dogodilo. " Nije li to dobar pokazatelj pouzdanosti TSVF-a? on pita. A ako netko misli da može formulirati drugačiju sliku "što se stvarno događa" u ovom eksperimentu, koristeći standardnu ​​kvantnu mehaniku, on dodaje: " Dobro, neka pokušaju!»

Pozdrav dragi čitatelji. Ako ne želite zaostajati za životom, biti istinski sretna i zdrava osoba, trebali biste znati o tajnama kvantne moderne fizike, barem malo zamisliti do kakvih su dubina svemira znanstvenici iskopali danas. Nemate vremena ulaziti u duboke znanstvene detalje, već želite shvatiti samo bit, ali vidjeti ljepotu nepoznatog svijeta, onda je ovaj članak: kvantna fizika za obične lutke ili, reklo bi se, za domaćice, samo za tebe. Pokušat ću objasniti što je kvantna fizika, ali jednostavnim riječima, jasno pokazati.

"Kakva je veza između sreće, zdravlja i kvantne fizike?", pitate se.

Činjenica je da pomaže odgovoriti na mnoga nerazumljiva pitanja vezana uz ljudsku svijest, utjecaj svijesti na tijelo. Nažalost, medicina, oslanjajući se na klasičnu fiziku, ne pomaže nam uvijek da budemo zdravi. A psihologija vam ne može ispravno reći kako pronaći sreću.

Samo dublje poznavanje svijeta pomoći će nam da shvatimo kako se istinski nositi s bolešću i gdje živi sreća. Ovo se znanje nalazi u dubokim slojevima Svemira. Kvantna fizika dolazi u pomoć. Uskoro ćete sve znati.

Što kvantna fizika proučava jednostavnim riječima

Da, doista, kvantnu fiziku je vrlo teško razumjeti jer ona proučava zakone mikrosvijeta. Odnosno, svijet u njegovim dubljim slojevima, na vrlo malim udaljenostima, gdje je čovjeku vrlo teško gledati.

A svijet se, ispostavlja se, tamo ponaša vrlo čudno, misteriozno i ​​neshvatljivo, ne onako kako smo navikli.

Odatle sva složenost i nerazumijevanje kvantne fizike.

Ali nakon što pročitate ovaj članak, proširit ćete horizonte svog znanja i gledati na svijet na potpuno drugačiji način.

Ukratko o povijesti kvantne fizike

Sve je počelo početkom 20. stoljeća, kada Newtonova fizika mnoge stvari nije mogla objasniti, a znanstvenici su zapali u slijepu ulicu. Tada je Max Planck uveo koncept kvanta. Albert Einstein je preuzeo tu ideju i dokazao da se svjetlost ne širi kontinuirano, već u dijelovima - kvantima (fotonima). Prije toga se vjerovalo da svjetlost ima valnu prirodu.

No, kako se kasnije pokazalo, svaka elementarna čestica nije samo kvant, odnosno čvrsta čestica, već i val. Tako se u kvantnoj fizici javlja korpuskularno-valni dualizam, prvi paradoks i početak otkrivanja tajanstvenih pojava mikrosvijeta.

Najzanimljiviji paradoksi počeli su kada je izveden čuveni eksperiment s dvostrukim prorezom, nakon čega je misterija postalo mnogo više. Možemo reći da je s njim započela kvantna fizika. Pogledajmo ga.

Eksperiment s dvostrukim prorezom u kvantnoj fizici

Zamislite tanjur s dva utora u obliku okomitih pruga. Iza ove ploče ćemo staviti paravan. Usmjerimo li svjetlo na ploču, na ekranu ćemo vidjeti interferencijski uzorak. Odnosno, izmjenične tamne i svijetle okomite pruge. Interferencija je rezultat valnog ponašanja nečega, u našem slučaju svjetlosti.

Propustite li val vode kroz dvije rupe koje se nalaze jedna pored druge, shvatit ćete što je interferencija. To jest, ispada da je svjetlost na neki način kao da ima valnu prirodu. Ali kao što je dokazala fizika, odnosno Einstein, ona se širi česticama fotona. Već paradoks. Ali u redu je, korpuskularno-valni dualizam više nas neće iznenaditi. Kvantna fizika nam govori da se svjetlost ponaša kao val, ali da se sastoji od fotona. Ali čuda tek počinju.

Stavimo pištolj ispred ploče s dva proreza, koja neće emitirati svjetlost, već elektrone. Počnimo ispaljivati ​​elektrone. Što ćemo vidjeti na ekranu iza ploče?

Na kraju krajeva, elektroni su čestice, što znači da tok elektrona, prolazeći kroz dva proreza, treba ostaviti samo dvije trake na ekranu, dva traga nasuprot prorezima. Jeste li zamislili kamenčiće kako lete kroz dva proreza i udaraju u ekran?

Ali što zapravo vidimo? Sve isti obrazac smetnji. Što je zaključak: elektroni se šire u valovima. Dakle, elektroni su valovi. Ali ipak je to elementarna čestica. Opet korpuskularno-valni dualizam u fizici.

Ali možemo pretpostaviti da je na dubljoj razini elektron čestica, a kada se te čestice spoje, počinju se ponašati poput valova. Na primjer, morski val je val, ali ga čine kapljice vode, a na manjoj razini molekule, pa atomi. U redu, logika je solidna.

Onda pucajmo iz pištolja ne s strujom elektrona, nego otpuštajmo elektrone odvojeno, nakon određenog vremena. Kao da kroz pukotine ne provlačimo morski val, već pojedine kapljice koje bljuju iz dječje vodene puške.

Sasvim je logično da bi u ovom slučaju različite kapi vode pale u različite utore. Na ekranu iza ploče nije se mogao vidjeti interferencijski uzorak vala, već dvije različite udarne pruge nasuprot svakom prorezu. Isto ćemo vidjeti ako bacimo kamenčiće, oni bi, prolijećući kroz dvije pukotine, ostavili trag, kao sjena iz dvije rupe. Pucajmo sada u pojedinačne elektrone da vidimo ove dvije pruge na ekranu od udara elektrona. Pustili jednog, čekali, drugog čekali i tako dalje. Kvantni fizičari uspjeli su izvesti takav eksperiment.

Ali užas. Umjesto ove dvije pruge dobivaju se iste interferencijske izmjene nekoliko pruga. Kako to? To se može dogoditi ako elektron istovremeno proleti kroz dva proreza, a iza ploče bi se, poput vala, sudario sam sa sobom i interferirao. Ali to ne može biti, jer čestica ne može biti na dva mjesta u isto vrijeme. Ili leti kroz prvi utor ili kroz drugi.

Ovdje počinju doista fantastične stvari kvantne fizike.

Superpozicija u kvantnoj fizici

Dubljom analizom znanstvenici otkrivaju da svaka elementarna kvantna čestica ili ista svjetlost (foton) zapravo može biti na više mjesta u isto vrijeme. I to nisu čuda, već stvarne činjenice mikrokozmosa. To kaže kvantna fizika. Zato pri ispaljivanju posebne čestice iz topa vidimo rezultat interferencije. Iza ploče, elektron se sudara sam sa sobom i stvara interferencijski uzorak.

Obični objekti makrokozmosa su uvijek na jednom mjestu, imaju jedno stanje. Na primjer, sada sjedite na stolici, imate recimo 50 kg, puls vam je 60 otkucaja u minuti. Naravno, ove indikacije će se promijeniti, ali će se promijeniti nakon nekog vremena. Uostalom, ne možete biti u isto vrijeme kod kuće i na poslu, teški 50 i 100 kg. Sve je to razumljivo, to je zdrav razum.

U fizici mikrokozmosa sve je drugačije.

Kvantna mehanika tvrdi, a to je već eksperimentalno potvrđeno, da svaka elementarna čestica može istovremeno biti ne samo na više točaka u prostoru, već i imati više stanja u isto vrijeme, poput spina.

Sve to ne staje u glavu, potkopava uobičajenu predodžbu o svijetu, stare zakone fizike, okreće razmišljanje, slobodno se može reći izluđuje.

Tako dolazimo do razumijevanja pojma "superpozicija" u kvantnoj mehanici.

Superpozicija znači da objekt mikrokozmosa može istovremeno biti u različitim točkama prostora, a također imati nekoliko stanja u isto vrijeme. I to je normalno za elementarne čestice. Takav je zakon mikrosvijeta, ma koliko čudan i fantastičan izgledao.

Iznenađeni ste, ali to su samo cvjetići, najneobjašnjivija čuda, misterije i paradoksi kvantne fizike tek dolaze.

Kolaps valne funkcije u fizici jednostavnim rječnikom

Tada su znanstvenici odlučili saznati i preciznije vidjeti prolazi li elektron doista kroz oba proreza. Odjednom prolazi kroz jedan prorez i onda se nekako odvaja i stvara interferencijski uzorak dok prolazi. Pa, nikad se ne zna. Odnosno, potrebno je u blizini proreza staviti neki uređaj koji bi precizno bilježio prolazak elektrona kroz njega. Rečeno, učinjeno. Naravno, to je teško izvesti, ne treba vam uređaj, već nešto drugo da biste vidjeli prolaz elektrona. Ali znanstvenici su to uspjeli.

No na kraju je rezultat sve zaprepastio.

Čim počnemo gledati kroz koji prorez prolazi elektron, on se počinje ponašati ne kao val, ne kao čudna tvar koja se nalazi na različitim točkama u prostoru u isto vrijeme, već kao obična čestica. Odnosno, počinje pokazivati ​​specifična svojstva kvanta: nalazi se samo na jednom mjestu, prolazi kroz jedan utor, ima jednu vrijednost spina. Ono što se pojavljuje na ekranu nije interferencijski uzorak, već jednostavan trag nasuprot proreza.

Ali kako je to moguće. Kao da se elektron šali, igra s nama. U početku se ponaša kao val, a onda, nakon što smo odlučili pogledati njegov prolaz kroz prorez, pokazuje svojstva čvrste čestice i prolazi kroz samo jedan prorez. Ali tako je to u mikrokozmosu. To su zakoni kvantne fizike.

Znanstvenici su uočili još jedno tajanstveno svojstvo elementarnih čestica. Tako su se u kvantnoj fizici pojavili koncepti nesigurnosti i kolapsa valne funkcije.

Kada elektron leti prema procjepu, nalazi se u neodređenom stanju ili, kako smo gore rekli, u superpoziciji. Odnosno, ponaša se kao val, nalazi se istovremeno na različitim točkama u prostoru, ima dvije vrijednosti spina (spin ima samo dvije vrijednosti). Da ga ne dodirnemo, da ga ne pokušamo pogledati, da ne saznamo gdje se točno nalazi, da ne izmjerimo vrijednost njegove vrtnje, proletio bi poput vala kroz dva proreza na u isto vrijeme, što znači da bi stvorio uzorak interferencije. Kvantna fizika opisuje njegovu putanju i parametre pomoću valne funkcije.

Nakon što smo izvršili mjerenje (a moguće je izmjeriti česticu mikrosvijeta samo interakcijom s njom, npr. sudaranjem druge čestice s njom), tada valna funkcija kolabira.

To jest, sada je elektron točno na jednom mjestu u prostoru, ima jednu vrijednost spina.

Za elementarnu česticu se može reći da je poput duha, čini se da postoji, ali u isto vrijeme nije na jednom mjestu, a s određenom vjerojatnošću može biti bilo gdje unutar opisa valne funkcije. Ali čim ga počnemo kontaktirati, on se iz sablasnog objekta pretvara u stvarnu opipljivu tvar koja se ponaša kao obični objekti klasičnog svijeta koji su nam poznati.

"Ovo je fantastično", kažete. Naravno, ali čuda kvantne fizike tek počinju. Najnevjerojatnije tek dolazi. No, odmorimo se od obilja informacija i vratimo se kvantnim avanturama drugi put, u nekom drugom članku. U međuvremenu razmislite o onome što ste danas naučili. Do čega takva čuda mogu dovesti? Uostalom, oni nas okružuju, to je svojstvo našeg svijeta, iako na dubljoj razini. Mislimo li još uvijek da živimo u dosadnom svijetu? No zaključke ćemo donijeti kasnije.

Pokušao sam govoriti o osnovama kvantne fizike kratko i jasno.

Ali ako nešto ne razumijete, onda pogledajte ovaj crtani film o kvantnoj fizici, o eksperimentu s dva proreza, tamo je također sve rečeno razumljivim, jednostavnim jezikom.

Crtani film o kvantnoj fizici:

Ili možete pogledati ovaj video, sve će doći na svoje mjesto, kvantna fizika je jako zanimljiva.

Video o kvantnoj fizici:

Kako nisi znao za ovo prije?

Moderna otkrića u kvantnoj fizici mijenjaju naš poznati materijalni svijet.

Prazan prostor nije prazan

Suvremena istraživanja pokazala su da prazan prostor nije prazan. Ispunjen je ogromnom energijom. U svakom kubičnom centimetru apsolutnog vakuuma nalazi se onoliko te energije koliko je nema u svim materijalnim objektima našeg Svemira!

Što ako kopamo još dublje? Tisućama godina prije Demokrita, indijski mudraci su znali da iza stvarnosti koju opažamo našim osjetilima, postoji druga, "važnija" stvarnost. Hinduizam uči da je svijet vanjskih oblika samo maya, iluzija. Uopće nije onakav kakav mi doživljavamo. Postoji "viša stvarnost" - temeljnija od materijalnog svemira. Iz njega proizlaze svi fenomeni našeg iluzornog svijeta, a on je na neki način povezan s ljudskom sviješću.

U suštini, ništa nema smisla – sve je apsolutno iluzorno. Čak su i najmasivniji objekti nematerijalna materija, vrlo slična misli; općenito, sve oko je koncentrirana informacija. — Jeffrey Satinover, dr. med

Kvantna fizika je danas došla do iste točke. Njegove odredbe su sljedeće: osnova fizičkog svijeta je apsolutno "nefizička" stvarnost; to je stvarnost informacija, ili "valova vjerojatnosti", ili svijesti. Konkretnije, to bi se trebalo izraziti na sljedeći način: na svojim najdubljim razinama, naš svijet je temeljno polje svijesti; stvara informacije koje određuju postojanje svijeta

Znanstvenici su otkrili da atomski sustav - jezgra i elektroni - nije skup mikroskopskih materijalnih tijela, već stabilan valni uzorak. Tada se pokazalo da o stabilnosti nema potrebe govoriti: atom je kratkotrajna međusobna superpozicija (kondenzacija) energetskih polja. Ovome dodajte sljedeću činjenicu. Omjer linearnih dimenzija jezgre, elektrona i polumjera elektronskih orbita je takav da sa sigurnošću možemo reći da se atom gotovo u potpunosti sastoji od praznine. Nevjerojatno je kako ne propadnemo kroz stolicu kada sjednemo na nju – ipak je to jedna neprekidna praznina! Istina, pod je isti, a zemljina površina... Postoji li išta na svijetu što je dovoljno "ispunjeno" da ne propadnemo?!

Što je stvarnije - svijest ili materija?

Andrew Newberg, dr.med., istraživao je duhovna iskustva raznih ljudi kao neuroznanstvenik, a rezultate svog rada opisao je u knjigama Zašto Bog ne odlazi? Znanost o mozgu i biologija vjerovanja” i “Mistični um. Studija iz biologije vjere". “Osoba koja je doživjela duhovni uvid”, piše on, “osjeća da je dotakla pravu stvarnost, koja je temelj i uzrok svega ostalog.” Materijalni svijet je neka vrsta površne, sekundarne razine ove stvarnosti.

“Moramo pažljivo ispitati odnos između svijesti i fizičkog svemira. Možda je materijalni svijet izveden iz stvarnosti svijesti; možda je svijest osnovni materijal svemira.” dr. Newberg

Je li stvarnost rezultat izbora?

Ili su možda naše svakodnevne interpretacije stvarnosti iz trenutka u trenutak jednostavno rezultat izbora “demokratske većine”? Ili, drugim riječima, je li ono što većina ljudi misli stvarno? Ako je deset ljudi u sobi i njih osam vidi stolicu, a dvoje vidi Marsovca, tko je od njih lud? Ako dvanaest ljudi jezero doživljava kao masu vode zatvorenu u svojim obalama, a jedan ga smatra čvrstim čvrstim tijelom po kojem se može hodati, tko je od njih u ludilu?

Vraćajući se na koncepte iz prethodnog poglavlja, sada možemo reći da je paradigma jednostavno općeprihvaćen model onoga što se smatra stvarnim. Svojim djelima glasamo za ovaj model i on postaje naša stvarnost. Ali tada se postavlja Veliko pitanje: "Može li svijest kreirati stvarnost?" Je li to zato što nitko nikada nije dao odgovor na ovo pitanje, jer je sama stvarnost odgovor?

Emocije i percepcija svijeta

Postoje čisto anatomski dokazi da nam informacije o svijetu daje mozak, a ne oči. Nema vizualnih receptora na mjestu u očnoj jabučici gdje optički živac prolazi do stražnjeg dijela mozga. Stoga bi se moglo očekivati: ako zatvorimo jedno oko, vidjet ćemo crnu mrlju u središtu “slike”. Ali to se ne događa - i to samo zato što "sliku" crta mozak, a ne oko.

Štoviše, mozak ne razlikuje ono što osoba stvarno vidi od onoga što zamišlja. Čini se da niti ne vidi razliku između izvedene i zamišljene radnje.

Ovaj fenomen je 1930-ih otkrio Edmund Jacobson, M.D. (tvorac tehnike postupnog opuštanja za ublažavanje stresa). Tražio je od ispitanika da zamisle određene fizičke radnje. I otkrio sam da su se u procesu vizualizacije njihovi mišići suptilno stezali, točno u skladu s pokretima koji su se mentalno izvodili. Sada sportaši diljem svijeta koriste ove informacije: oni uključuju vizualni trening u svoje pripreme za natjecanja.

Vaš mozak ne vidi razliku između vanjskog svijeta i svijeta vaše mašte. — Joe Dispenza

Istraživanje dr. Pertha s Nacionalnog instituta za zdravlje (SAD) sugerira da čovjekovo poimanje svijeta nije određeno samo njegovim idejama o tome što je stvarno, a što nije, već i njegovim odnosom prema informacijama koje dobivaju osjetila.

O potonjem uvelike ovisi hoćemo li nešto percipirati, a ako percipiramo kako. Doktorica kaže: “Naše emocije određuju na što je vrijedno pažnje... A odluka o tome što će dospjeti do naše svijesti, a što će biti odbačeno i ostati na dubljim razinama tijela, donosi se u trenutku kada vanjski podražaji utjecati na receptore.”

Dakle, bit stvari je više-manje jasna. Mi sami stvaramo svijet koji percipiramo. Kad otvorim oči i pogledam oko sebe, ne vidim stvarnost "kakva jest", nego svijet koji moja "osjetilna oprema" - osjetilni organi - mogu percipirati; svijet koji mi moja vjera dopušta vidjeti; svijet filtriran emocionalnim preferencijama.

Osnove kvantne mehanike

Poznato susreće nepoznato

Tijekom sljedećeg stoljeća pojavila se potpuno nova znanost, poznata kao kvantna mehanika, kvantna fizika ili jednostavno kvantna teorija. Ne zamjenjuje Newtonovu fiziku, koja savršeno opisuje ponašanje velikih tijela, odnosno objekata makrokozmosa. Stvoren je da objasni subatomski svijet: Newtonova je teorija u njemu bespomoćna.

Svemir je vrlo čudna stvar, kaže jedan od utemeljitelja nanobiologije dr. Stuart Hameroff. “Čini se da postoje dva skupa zakona koji to reguliraju. U našem svakodnevnom, klasičnom svijetu, sve je opisano Newtonovim zakonima gibanja, otkrivenim prije stotine i stotine godina... No, prijelazom u mikrokozmos, na razinu atoma, počinje sasvim drugačiji skup "pravila". operirati. To su kvantni zakoni.”

Činjenice ili fikcija? Jedna od najdubljih filozofskih razlika između klasične i kvantne mehanike je sljedeća: klasična mehanika je izgrađena na ideji da je moguće pasivno promatrati objekte... kvantna mehanika nikada nije pogriješila u pogledu ove mogućnosti. — David Albert, dr. sc

Činjenice ili fikcija?

Čestica mikrosvijeta može biti na dva ili više mjesta u isto vrijeme! (Jedan od najnovijih eksperimenata pokazao je da se jedna od tih čestica može nalaziti na 3000 mjesta u isto vrijeme!) Jedan te isti "objekt" može biti i lokalizirana čestica i energetski val koji se širi prostorom.

Einstein je pretpostavio da ništa ne može putovati brže od brzine svjetlosti. Ali kvantna fizika je dokazala da subatomske čestice mogu trenutno razmjenjivati ​​informacije - nalazeći se na bilo kojoj udaljenosti jedna od druge.

Klasična fizika bila je deterministička: s obzirom na početne uvjete poput lokacije i brzine objekta, možemo izračunati kamo će se kretati. Kvantna fizika je probabilistička: nikada ne možemo s apsolutnom sigurnošću reći kako će se ponašati predmet koji proučavamo.

Klasična fizika bila je mehanicistička. Temelji se na premisi da samo poznavanjem pojedinačnih dijelova predmeta možemo u konačnici razumjeti što on jest. Kvantna fizika je holistička: ona daje sliku svemira kao jedinstvene cjeline, čiji su dijelovi međusobno povezani i utječu jedni na druge.

I, što je možda najvažnije, kvantna fizika uništila je ideju temeljne razlike između subjekta i objekta, promatrača i promatranog - a ipak je dominirala umovima znanstvenika 400 godina!

U kvantnoj fizici promatrač utječe na promatrani objekt. Ne postoje izolirani promatrači mehaničkog Svemira - sve sudjeluje u njegovom postojanju.

Posmatrač

Moja svjesna odluka o tome kako ću promatrati elektron donekle će odrediti svojstva elektrona. Ako me on zanima kao čestica, onda ću dobiti odgovor o njemu kao čestici. Ako me zanima kao val, dobit ću odgovor o tome kao valu. Fridtjof Capra, fizičar, filozof

Promatrač utječe na promatrano

Prije nego što se provede promatranje ili mjerenje, objekt mikrosvijeta postoji u obliku probabilističkog vala (strože, kao valna funkcija).

Ne zauzima nikakav određeni položaj i nema brzinu. Valna funkcija jednostavno je vjerojatnost da će se, kada se promatra ili mjeri, neki objekt pojaviti ovdje ili ondje. Ima potencijalne koordinate i brzinu - ali ih nećemo znati dok ne započnemo proces promatranja.

“Zbog toga,” piše teorijski fizičar Brian Greene u knjizi The Fabric of the Cosmos, “kada određujemo položaj elektrona, ne mjerimo objektivno, već postojeće svojstvo stvarnosti. Umjesto toga, čin mjerenja je čvrsto utkan u stvaranje same mjerljive stvarnosti.” Izjava Fridtjofa Kapra logično dovršava Greenovo razmišljanje: "Elektron nema objektivna svojstva neovisna o mojoj svijesti."

Sve to briše granicu između "vanjskog svijeta" i subjektivnog promatrača. Čini se da se spajaju u procesu otkrivanja – ili stvaranja? - svijet oko nas.

Problem mjerenja

Ideja da promatrač neizbježno utječe na svaki fizički proces koji promatra; da nismo neutralni svjedoci onoga što se događa, samo promatramo objekte i događaje, prvi su izrazili Niels Bohr i njegovi kolege iz Kopenhagena. Zbog toga se ove odredbe često nazivaju Kopenhaško tumačenje.

Bohr je tvrdio da Heisenbergovo načelo nesigurnosti podrazumijeva nešto više od nemogućnosti preciznog istovremenog određivanja brzine i položaja subatomske čestice.

Ovako Fred Alan Wolf opisuje svoje postulate: “Nije samo da nešto ne možete izmjeriti. To "nešto" uopće ne postoji - sve dok ga ne počnete promatrati.

Heisenberg je vjerovao da ona postoji sama za sebe.” Heisenberg je oklijevao priznati da nije bilo "nečega" prije nego što je promatrač bio uključen u proces. Niels Bohr je to ne samo ustvrdio, već je i odlučno razvio svoje pretpostavke.

Budući da čestice ne nastaju dok ih ne počnemo promatrati, rekao je, stvarnost ne postoji na kvantnoj razini dok je netko ne promatra i mjeri.

Do sada se u znanstvenoj zajednici vodi žestoka rasprava (trebalo bi je nazvati žestokom raspravom!) o tome je li ljudska svijest promatrača uzrok “kolapsa” i prijelaza valne funkcije u stanje čestica?

Spisateljica i novinarka Lynn McTaggart izražava ovu ideju na ovaj način, izbjegavajući znanstvene termine: “Stvarnost je nestvrdnuti žele. To nije sam svijet, već njegova potencijalnost. A mi, svojim sudjelovanjem u tome, činom promatranja i promišljanja, činimo da se ovaj žele stvrdne. Dakle, naš život je sastavni dio procesa stvaranja stvarnosti. Određeno je našom pažnjom."

U Einsteinovom svemiru objekti imaju točne vrijednosti za sve moguće fizičke parametre. Većina bi fizičara sada rekla da je Einstein bio u krivu. Svojstva subatomske čestice očituju se samo kada su na to prisiljena mjerenjima... U slučajevima kada se ne promatraju... parametri mikrosustava su u neodređenom, "maglovitom" stanju i karakterizirani su isključivo vjerojatnost kojom se ova ili ona potencijalna mogućnost može ostvariti. — Brian Greene, The Fabric of Space Zašto

kvantna logika

Kvantna logika Na pitanje ostaje li elektron nepromijenjen, prisiljeni smo odgovoriti: "Ne." Ako nas pitaju mijenja li se položaj elektrona s vremenom, trebali bismo reći: "Ne." Ako nam se postavi pitanje ostaje li elektron u stanju mirovanja, odgovaramo: "Ne." Na pitanje da li se elektron kreće, kažemo: "Ne." — J. Robert Oppenheimer, izumitelj atomske bombe

Kvantna logika Johna von Neumanna otkrila je glavni dio problema mjerenja: samo odluka promatrača vodi do mjerenja. Ova odluka ograničava stupnjeve slobode kvantnog sustava (na primjer, valna funkcija elektrona) i time utječe na rezultat (stvarnost).