3) És mivel ez egy kvantumelmélet, a téridő mindezt egyszerre is meg tudja tenni. Egyszerre képes létrehozni egy csecsemő-univerzumot, és nem.

A téridő szövete lehet, hogy egyáltalán nem szövet, hanem olyan diszkrét komponensekből állhat, amelyek számunkra csak nagy makroszkopikus léptékekben folyamatos szövetnek tűnnek.

4) A kvantumgravitáció legtöbb megközelítésében a téridő nem alapvető, hanem valami másból áll. Ezek lehetnek húrok, hurkok, qubitek vagy tér-idő "atomok" változatai, amelyek a sűrített anyag megközelítésében jelennek meg. A különálló alkatrészeket csak a legmagasabb energiák felhasználásával lehet szétszedni, ami messze meghaladja a Földön elérhető energiákat.

5) Egyes kondenzált anyagú megközelítésekben a téridő szilárd vagy folyékony test tulajdonságaival rendelkezik, azaz lehet rugalmas vagy viszkózus. Ha ez valóban így van, akkor elkerülhetetlenek a megfigyelhető következmények. A fizikusok jelenleg az utazó részecskékben, vagyis a mélyűrből hozzánk eljutó fényben vagy elektronokban keresik hasonló hatások nyomait.

Egy prizma által szétszórt folytonos fénysugár sematikus animációja. A kvantumgravitáció egyes megközelítéseiben a tér diszperziós közegként működhet a különböző hullámhosszú fények számára.

6) A téridő befolyásolhatja, hogy a fény hogyan halad át rajta. Előfordulhat, hogy nem teljesen átlátszó, vagy a különböző színű fény eltérő sebességgel terjedhet. Ha a kvantumtér-idő befolyásolja a fény terjedését, ez is megfigyelhető lesz a jövőbeni kísérletekben.

7) A téridő fluktuációi tönkretehetik a távoli forrásokból származó fény interferenciamintázatokat létrehozó képességét. Ezt a hatást keresték, de nem találták, legalábbis a látható tartományban.

A két vastag résen (felső), két vékony résen (középen) vagy egy vastag résen (alul) áthaladó fény interferenciát mutat, jelezve hullámtermészetét. A kvantumgravitációban azonban előfordulhat, hogy néhány várható interferencia-tulajdonság nem lehetséges.

8) Az erős görbületű területeken az idő térré változhat. Ez megtörténhet például a fekete lyukak belsejében vagy az ősrobbanás során. Ebben az esetben az általunk három tér- és dimenzióval, valamint egy idővel ismert téridő négydimenziós "euklideszi" térré alakulhat.

Két különböző térbeli vagy időbeli hely összekapcsolása egy féreglyukon keresztül csak elméleti ötlet, de nemcsak érdekes lehet, hanem elkerülhetetlen is a kvantumgravitációban.

A téridő nem lokálisan kapcsolódhat apró féregjáratokhoz, amelyek az egész univerzumot áthatják. Az ilyen nem lokális kapcsolatoknak minden olyan megközelítésben létezniük kell, amelyek mögöttes struktúra nem geometriai, például gráfban vagy hálózatban. Ez annak köszönhető, hogy ilyen esetekben a „közelség” fogalma nem alapvető, hanem hallgatólagos és tökéletlen, így a távoli területek véletlenszerűen összekapcsolhatók.

10) Talán ahhoz, hogy a kvantumelméletet egyesítsük a gravitációval, nem a gravitációt kell frissítenünk, hanem magát a kvantumelméletet. Ha igen, a következmények messzemenőek lesznek. Mivel a kvantumelmélet minden elektronikus eszköz középpontjában áll, átdolgozása teljesen új lehetőségeket nyit meg.

Bár a kvantumgravitációt gyakran pusztán elméleti ötletnek tekintik, számos lehetőség kínálkozik a kísérleti igazolásra. Mindannyian minden nap utazunk téridőben. Megértése megváltoztathatja életünket.

Vannak témák, amelyekről öröm írni. Százezer szerző írt már előtted, százezren írnak majd utána, de mégis lesz olvasó, aki először olvassa el. Ebben az esetben a kvantummechanikáról fogunk beszélni. Várj, ne menj másik portálra, kérlek! Ne aggódjon, hogy nehézségek merülnek fel, csak egy szerény külső szemlélő szerepre szorítkozunk. És hidd el, egyáltalán nem nehéz.

Mi a legfontosabb egy kísérletben? Készülékek? Elméleti felkészülés? Okos asszisztens? Nem barátok. Az egyetlen dolog, ami nélkül egy kísérlet sem nélkülözheti, az a kísérletező. Ha nincs, nincs kísérlet. Amíg meg nem jelenik egy megfigyelő, aki érdeklődő szemével figyeli a kísérlet kimenetelét, és ügyes kézzel rögzíti annak eredményeit, addig ami történik, az nem kísérlet.

De kiderül, hogy megtörténik, hogy a megfigyelő puszta jelenléte a kísérlet során megzavarja a kísérlet menetét, megváltoztatja a vizsgált rendszer állapotát, és az események más irányú fejlődését idézi elő. És megpróbáljuk megérteni, hogyan értékeli a kvantummechanika a megfigyelőnek a kísérlet fizikai valóságába való beavatkozásának ilyen következményeit öt klasszikus példa segítségével.

Első példa: "Schrödinger macskája"

Egy tankönyvi példa, amely a fogakon ragadt: "Schrödinger macskája". Lezárt fekete (igen, mi a különbség, hogy milyen színű!) Schrödinger doboz (Erwin Schrödinger) egy feltételes (képzeletbeli) macskát, egy méreg ampullát és egy nukleáris kioldót rejt. Ez az eszköz bármikor eltörheti az ampullát és elpusztíthatja az állatot. Egy szórakoztató kísérlet, mondhatod, és igazad lesz. Az egyetlen mentség, amely megmentheti az osztrák tudós becsületét, az, hogy a tapasztalat pusztán elméleti, és a fizikus gondolkodásának logikáját hivatott bemutatni.

A kioldó mechanizmus egy véletlenszerű pillanatban radioaktív atomot szabadíthat fel, amelynek bomlása eltöri a méregüveget. A pontos bomlási idő nincs megadva. A megfigyelő csak a felezési időt ismeri, vagyis azt az időtartamot, ameddig a bomlás bekövetkezik "fifty-fifty" valószínűséggel – 50-50. Így egy zárt dobozt megfigyelve megértjük, hogy egy macska annak belsejében a zárt rendszer egyszerre két állapotban létezik: vagy él, vagy hal. Mindkét állapot leírható a macska hullámfüggvényével (élő-halott), amely idővel változik. Minél távolabb kerülünk a kezdeti szakasztól (a macska határozottan él), annál valószínűbb, hogy az ampulla már eltört, és a kísérlet véget ért (a macska meghalt).

De csak a doboz kinyitásával győződhet meg arról, hogy a kísérlet véget ért. Ezért mindaddig, amíg a megfigyelő nem hatol be a zárt rendszerbe, annak a valószínűsége, hogy a macska életben van, megmarad, bár folyamatosan nullára hajlik. Így a macska örökké egyensúlyozhat az élet és a halál küszöbén, egészen addig, amíg a sorsát egy tudós dönti el, aki belefáradt a zárt doboz fölött való álldogálásba. És csak ezután következik be a hullámfüggvény összeomlása, és a sok lehetőség közül csak egy valósul meg.

Ez a tudomány úgynevezett koppenhágai értelmezése, az úgynevezett „kvantummechanika”. Bármely rendszer állapotát csak megfigyeléssel lehet megbízhatóan meghatározni. A megfigyelő pedig puszta jelenlétével megváltoztatja a vizsgálat eredményét. Ez az a titokzatos pillanat, amelyre Schrödinger rámutatott.

Második példa: Fagyás-részecske

A múlt század 60-as éveiben kvantumhatást jósoltak, amit később a Nobel-díjas Wolfgang Ketterle vezette tudóscsoport a gyakorlatban is bebizonyított. A gerjesztett rubídium atomok azonos atomokká, stabil állapotú és fotonokká történő bomlásának vizsgálatával a kutatók a megfigyelő egyértelmű hatását rögzítették a kísérlet eredményére.

Az instabil radioaktív részecskék átlagos élettartama megnövekedhet, ha gondosan figyelik. Így a kísérlet megkezdése után a tudósok elkezdték megfigyelni az atomok bomlását két különböző módban: folyamatos (a rendszert folyamatosan gyenge fényárammal sugározták be, amely rögzítette a változásokat) és impulzusos (erősebb, de rövidebb fénysugár periodikusan). belépett a rendszerbe).

A kapott eredmény nagyon érdekesnek bizonyult. A rendszert érő külső fényhatások lelassították a részecskék bomlását, visszaállítva őket eredeti állapotukba. A gyorsan lebomló gerjesztett rubídium atomok élettartama tízszeresére növelhető. A hatás „freeze-partticle” kódnéven lépett be a tudománytörténetbe.

Harmadik példa: "elektronikus dualizmus"

A kvantumfizika történetének egyik legelegánsabb kísérlete az elektrondiffrakciós kísérlet, amelyet 1961-ben hajtottak végre. A kísérlet lényege a következő volt: a fotofinishez repülő elektronáram útjába két rézsű rézlemezt helyeztek.

Ha az elektronsugarat kis töltött golyók csoportjaként képzeljük el, akkor két csíkot várnánk a képernyőn az egyik és a másik réssel szemben. Valójában azonban egy másik kép jelent meg a képernyőn - egy összetett konfigurációjú zebra, amely váltakozó és egymást átfedő világos és sötét csíkokból áll. A kísérlet eredménye akkor sem változott, ha a részecskéket nem folyamatos áramlásban, hanem egyenként küldték át a résen. Ebben a pillanatban az elektronok mindegyike megmutatta a hullámfüggvényét, és egyidejűleg két résen át tudott haladni.

De ez csak a kísérlet első fele volt. Amikor a fizikusok megpróbálták javítani az eredményt, a képernyőn látható kép azonnal klasszikussá vált – két csík a rézlemez réseivel szemben, és nincs "furcsa" zebra. A megfigyelő szeme láttára az elektronok „elvesztették” hullámkomponensüket, és egy középiskolás diák számára ismerős képet mutattak. A megfigyelő jelenléte hatással volt a rendszerre, és automatikusan megváltoztatta magának a megfigyelésnek az eredményeit.

4. példa: "néhány ember melegen szereti..."

Az elektronok mellett gyakran több tucat szénatomból álló nagy molekulák (fullerének) is tengerimalacként működnek. A hat tucat atomból álló fullerének egy igazi, hatszögekből varrt futballlabdára hasonlítanak. Ezekkel a nagy elemekkel diffrakciós kísérleteket végeznek, hasonlóan az elektronokon végzett kísérletekhez.

Nem is olyan régen Anton Zeilinger professzor bécsi csoportjának tudósai megkockáztatták, hogy „megfigyelő elemet” adjanak az élményhez. A vizsgálat során a kísérletezők mobil fulleréneket bombáztak lézersugárzással. A molekulákat külső hatások hevítették fel, és a vizsgált térben izzottak, ezáltal felfedték elhelyezkedésüket.

Az izzás kezdetével a részecskék viselkedése is megváltozott. Ha a "sötétségben", megfigyelő jelenléte nélkül, a fullerének óvatosan megkerülték az akadályokat, amelyek megmutatták hullámtulajdonságaikat, akkor a "néző" megjelenésével a részecskék szilárd testekként kezdtek viselkedni, az ebből következő viselkedési jellemzőkkel. a klasszikus fizikából ismert.

Ötödik példa: "... és néhány hidegebb"

De a kvantumfizika rejtélyei közül a legérdekesebb a Heisenberg-féle bizonytalansági elv (Werner Karl Heisenberg) rejtélye. Egy népszerű előadásban ez így hangzik: lehetetlen egy kvantumobjektum helyzetét és sebességét egyszerre megállapítani. Azaz minél pontosabban mérjük meg egy elemi részecske impulzusát, annál kevésbé tudjuk pontosan meghatározni, hogy az adott pillanatban hol van. Ez persze a nagy tárgyak világában rosszul alkalmazható, és általában még elemi szinten sem világos, mi következhet ebből.

A Schwab professzor (Keith Schwab) vezette csoport kísérlete pikantériát adott a klasszikus Heisenberg-bizonytalanságnak. A tudósok a mikrorészecskék útjába egy apró alumínium csík elhelyezésével egy olyan eszközt kapcsoltak össze, amely a legnagyobb pontossággal képes rögzíteni a helyzetét. És akkor két érdekes eredményt kaptunk. Először is, a tárgy minden új mérése megváltoztatta a lemez helyzetét. A készülék nagyon pontosan meghatározta a sáv koordinátáit, és ezáltal megváltoztatta a sebességét, és ennek következtében az azt követő pozíciót a térben.

De ha az első felfedezést a bizonytalanság elve jósolta meg, akkor a második mindenki számára meglepetés volt. A tudósok által végzett mérések a szalag lehűléséhez vezettek. Vagyis a megfigyelő puszta jelenlétével megváltoztatta a tárgy fizikai jellemzőit. Ebben az esetben a hőmérséklet. Az effektus gyakorlati felhasználását azonnal megtalálták: Schwab professzor most azon gondolkodik, hogyan alkalmazza ezt a jelenséget a legbonyolultabb mikroáramkörök hűtésére.

P.S.: Az érzés, hogy a világ csak akkor létezik, amikor nézed, még a nagy Einsteint is meglátogatta. De biztosított minket arról, hogy ez nem így van. Valóban, a hold megfigyelője hogyan befolyásolhatja magát a holdat? Nos, mi van akkor, ha valójában minden, ami körülöttünk történik, csak a képzeletünk szüleménye? És amint elalszunk, a világ eltűnik. Vagy még mindig azoknak van igazuk, akik azt mondják, hogy a világegyetem fizikájának törvényeit és az univerzum (psziché) megértésének törvényeit egymást kiegészítőnek kell tekinteni? Mint egy nagy doktrína két része.

Vagy általában ugyanaz a tudomány? És ezt fizikának hívják. Mert a fizikához képest minden más nem más, mint a bélyeggyűjtés.

Szerkesztőségi. Érdekel a tudomány? Gyere el a Kijevi Népszerű Tudományos és Technológiai Múzeumba

Az élet a legkülönlegesebb jelenség a megfigyelhető univerzumban; de hogyan keletkezett az élet? Még a klónozás és a szintetikus biológia korszakában is igaz marad egy figyelemre méltó igazság: még senkinek sem sikerült teljesen élettelen anyagokból élőlényt létrehoznia. Az élet csak az életből fakad. Kiderült, hogy még mindig hiányzik néhány alapvető összetevője? Richard Dawkins Az önző gén című könyvéhez hasonlóan, amely új perspektívát adott az evolúciós folyamatról, az Élet a peremen átformálja a világ alapvető mozgatórugóinak megértését. Ebben a szerzők a legfrissebb kísérleti adatokat és a tudomány élvonalbeli felfedezéseit egyaránt megvizsgálják, és mindezt egyedülállóan közérthető stílusban. Jim Al-Khalili és Jonjo McFadden a kvantummechanika hiányzó darabjáról beszél; jelenség, amely ennek a legtitokzatosabb tudománynak az alapja.

Könyv:

<<< Назад

Tovább >>>

Rövidesen visszatérünk a fotonhoz és a fához, és megtudjuk, hogyan kapcsolódnak ezek a kvantumvilághoz, de először vessünk egy pillantást egy meglepően egyszerű kísérletre, amely rávilágít a kvantumvilág misztikumára. Miközben mindent megteszünk annak érdekében, hogy a lehető legvilágosabban elmagyarázzuk, mit jelentenek az olyan kifejezések, mint a "kvantum-szuperpozíció", semmi sem világosabb, mint az alább leírt híres kétrés kísérlet.

A két réssel végzett kísérlet a legegyszerűbben és legteljesebben megmutatja, hogy a kvantumvilágban minden másképp van elrendezve. A részecskék hullámként viselkedhetnek, ahogy terjednek a térben, és a hullámok néha felvehetik a részecskék tulajdonságait. A hullám-részecske kettősségről már volt szó: a bevezetőben úgy írják le, mint egy olyan tulajdonságot, amelynek köszönhetően világossá válik, hogy a Nap hogyan termel energiát; A 3. fejezetben megvizsgáltuk, hogy az elektronok és protonok hullámkarakterisztikája hogyan teszi lehetővé számukra az enzimek szerkezetében lévő energiagátak leküzdését. Ebből a fejezetből megtudhatja, hogy a hullám-részecske kettősség a bioszféra legfontosabb biokémiai reakcióira is hatással van: a levegő, a víz és a fény átalakulását növényekké, mikroorganizmusokká, és közvetve mindannyiunkká. Először azonban meg kell értenünk, hogy a történelem legegyszerűbb, legelegánsabb és egyben legambiciózusabb kísérletei hogyan támasztják alá azt a merész elképzelést, hogy a részecskék egyszerre több helyen is lehetnek: az egyik ilyen kísérlet Richard Feynman, „a kvantummechanika szívében rejlik”.

Figyelmeztetnem kell azonban, hogy az itt leírtak lehetetlennek tűnnek számodra, és azt gondolhatod, hogy kell valami ésszerűbb módja annak, hogy megmagyarázd, mi történik. Kíváncsi lehet, mi a titka ennek a varázstrükknek. Vagy arra a következtetésre juthat, hogy a tapasztalat pusztán elméleti spekuláció, amelyet olyan tudósok alkottak meg, akiknek nem volt fantáziája a természet működésének megértéséhez. De ezen magyarázatok egyike sem helytálló. A kettős rés élményének nincs (általános) magyarázata, de valóságos, és ezerszer megismételték.

A kísérletet három lépésben írjuk le; az első kettő a feltételek leírásával foglalkozik, hogy értékelni tudja a harmadik, fő szakasz érthetetlen eredményeit.

Először egy monokróm fénysugarat (amely azonos színű, azaz azonos hosszúságú hullámokból áll) egy olyan képernyőre irányítanak, amelynek két keskeny rése van, amelyek lehetővé teszik, hogy némi fény átjusson mindkét résen a második képernyőre (ábra 3). 4.1).

Rizs. 4.1. Kettős rés kísérlet, 1. szakasz Ha monokróm fényt (amely bizonyos hullámhosszú) küldünk két résbe, mindegyik rés új fényforrásként működik a másik oldalon. A hullám jellegéből adódóan a fény minden résen áthaladva továbbterjed (szór), így a kör alakú hullámok átfedik egymást és kölcsönhatásba lépnek egymással, sötét és világos sávokat képezve a hátsó képernyőn.

A rések szélességének, a köztük lévő távolságnak és a két képernyő távolságának precíz szabályozásával a második képernyőn világos és sötét peremsorozatot hozhatunk létre, amelyet interferenciamintának nevezünk.

Az interferenciamintázatok hullámgrafikonok, és könnyen láthatóak bármilyen hullámközegben. Dobj egy követ a tó felszínére, és látni fogod, hogy egy sor koncentrikus kör alakú hullám sugárzik ki a csobbanási pontból. Dobj két sziklát ugyanabba a tóba, és mindegyik saját koncentrikus hullámokat képez. Ahol a két kő hullámai átfedik egymást, interferenciamintát fog látni (4.2. ábra).

Rizs. 4.2. Konstruktív és destruktív hulláminterferencia

Ahol az egyik hullám csúcsa találkozik egy másik hullám minimális pontjával, kioltják egymást, így ezen a ponton nem jön létre hullám. Ezt a jelenséget destruktív interferenciának nevezik. Ellenkező esetben, ahol két csúcs vagy két minimumpont találkozik, ott erősítik egymást, kettős hullámot hozva létre: ezt a jelenséget konstruktív interferenciának nevezik. A hullámcsökkenés és -erősítés hasonló mintázata bármely hullámközegben megfigyelhető. Thomas Young angol fizikus a fénysugarak interferenciáját a több mint 200 évvel ezelőtt elvégzett kettős rés kísérlet korai változatában mutatta be. Az eredmény meggyőzte őt és sok más tudóst arról, hogy a fény valójában egy hullám.

A kettős rés teszt során tapasztalt interferencia elsősorban attól függ, hogy a fényhullámok milyen úton haladnak át a résen, majd terjednek, ez a hullámok diffrakciónak nevezett tulajdonsága. Így a résekből kiinduló sugarak átfedik egymást, és elnyelik egymást, mielőtt elérnék a hátsó képernyőt, akár a hullámok a vízen. A képernyő bizonyos pontjain a két résből kiáramló fényhullámok olyan fázisba lépnek, ahol csúcsok és mélyedések váltakoznak, vagy azért, mert azonos távolságot tettek meg a képernyőig, vagy azért, mert a megtett távolságkülönbség többszöröse csúcsuk közötti távolság. Ebben az esetben a hullámok csúcsai és mélypontjai még magasabb és alacsonyabb pontokat alkotnak. Ezt a jelenséget konstruktív interferenciának nevezik. Amikor a hullámok rétegzettek, nagy intenzitású fény képződik, és ennek következtében egy fényes sáv a képernyőn. Más pontokon azonban a két rés fénye kiesik a fázisból, és az egyik hullám legmagasabb pontja találkozik a másik hullám legalacsonyabb pontjával. Ezeken a pontokon a hullámok kioltják egymást, ami egy sötét sáv kialakulásához vezet a képernyőn - destruktív interferencia. E két véglet között a kombináció sem nem teljesen "fázisban", sem nem "fázison kívül" és némi fény marad. Így a képernyőn nem a világos és sötét sávok pontos sorrendjét látjuk, hanem az intenzitás zökkenőmentes változását az interferenciaminta maximális és minimumpontjai között. Ez a rendszeres hullámzó sima intenzitásváltozás a hullámjelenségek kulcsfontosságú mutatója. Van egy példa a hanghullámokra: a zenész hangszer hangolása közben ütemeket hallgat, amelyeket akkor kap, ha az egyik hang nagyon közel van a másikhoz, így a zenész füléhez vezető úton néha fázisba vagy kiesik. fázisú. Kombinációik variációja közös hangzást eredményez, melynek hangereje periodikusan emelkedik és csökken. A hangintenzitás fokozatos változása két különálló hullám interferenciájának köszönhető. Megjegyzendő, hogy ezek az ütemek olyan jelenségek, amelyek a klasszikus fizika törvényeinek engedelmeskednek, és nem igényelnek kvantumértelmezést.

A kettős rés kísérletben a kulcstényező az, hogy az első képernyőre belépő fénysugárnak monokrómnak kell lennie (azonos hosszúságú hullámhosszokból áll). A fehér fény, amely egy közönséges izzóból származik, éppen ellenkezőleg, különböző hullámhosszú hullámokból áll (a szivárvány minden színe), így a hullámok véletlenszerűen hullanak a képernyőre. Ebben az esetben annak ellenére, hogy a hullámok csúcsai és mélypontjai kölcsönhatásba lépnek egymással, a kapott kép annyira összetett és elmosódott lesz, hogy az egyes sávok megkülönböztethetetlenek lesznek. Hasonlóképpen, annak ellenére, hogy két kő tóba dobásával könnyen lehet interferenciamintát létrehozni, a tóba zuhanó hatalmas vízesés annyi hullámot képez, hogy nem lehet koherens interferenciamintát látni.

A kettős rés kísérlet második lépésében most nem fényt, hanem a képernyőn repülő golyókat fogunk használni. A lényeg az, hogy szilárd részecskéket használunk, nem terjedő hullámokat. Természetesen minden golyónak át kell jutnia az egyik vagy a másik nyíláson, de nem egyszerre mindkettőn. Miután a szükséges számú golyó áthaladt a réseken, a hátsó képernyőn két golyósort fogunk látni, amelyek két résnek felelnek meg (4.3. ábra).

Rizs. 4.3. Kísérlet két réssel, 2. szakasz. A fényhullámok viselkedésével ellentétben a réseken átrepülő golyók áramlása a részecskék viselkedését mutatja. Minden, a hátsó képernyőt eltaláló golyónak át kell jutnia az egyik vagy a másik nyíláson, de nem mindkettőn (természetesen feltételezve, hogy a képernyő közepe elég vastag ahhoz, hogy megállítsa azokat a golyókat, amelyek nem találják el a réseket). A többsávos interferenciától eltérően a hátsó képernyő mintája golyók csoportját mutatja az egyes réseknek megfelelő két keskeny sáv körül.

Természetesen nem hullámokkal van dolgunk. Mindegyik golyó különálló részecske, és nem lép kölcsönhatásba a másikkal, így nincs interferencia.

És most a harmadik szakasz: a kvantum "trükk". A kísérletet megismételjük atomok felhasználásával golyók helyett. A forrásból kiáramló atomnyaláb két keskeny réssel a képernyőre repül. Az atomok becsapódásának regisztrálására a második képernyőn fotolumineszcens bevonat található, amelyen az atom becsapódásának helyén egy apró fényes pont jelenik meg.

Ha mikroszkopikus szinten lenne józan ész, akkor az atomok apró golyókként viselkednének. Először csak a bal oldali rés kinyitásával hajtjuk végre a kísérletet, és a nyitott rés mögött egy fényes pontcsíkot fogunk látni a képernyőn. Bizonyos számú pont egyenetlenül helyezkedik el a képernyőn: ez azt jelezheti, hogy egyes atomok kilökődnek a szélekről, megváltoztatják pályájukat, és nem haladnak át szigorúan a résen. Ezután kinyitjuk a jobb oldali nyílást, és megvárjuk, amíg fényes pontok jelennek meg a hátsó képernyőn.

Ha a fényes pontok eloszlásának megjóslására kérnének, és semmit sem tudna a kvantummechanikáról, természetesen azt sejtené, hogy a golyókkal végzett kísérletben kapott képhez hasonlítana. Ugyanis: minden rés mögött pontcsík képződik, azaz két különböző világító terület jelenik meg a képernyőn, középen világosabbak, a szélek felé fokozatosan halványodva, mivel az atomok találatai egyre ritkábbak. Arra is számítani lehet, hogy a két fényes sáv közötti középső rész sötét lesz, hiszen ez a képernyő azon részének felel meg, amely az atomok számára áthatolhatatlan, bármilyen résbe is esnek.

Ez azonban nem egyezik azzal, amit látunk. Éppen ellenkezőleg, nagyon tiszta képet látunk a világos és sötét sávok interferenciájáról, pontosan ugyanaz, mint a fénnyel végzett kísérletben. Akár hiszi, akár nem, a képernyő legfényesebb része a közepén található: azon a területen, ahová sok atomnak nem szabad leesnie (4.4. ábra).

Rizs. 4.4. Kísérlet két réssel, 3. szakasz. Amikor a golyókat a rések előtt elhelyezkedő forrásból kibocsátott atomok helyettesítik (természetesen minden szakaszban kiválasztják a megfelelő szélességet és távolságot a rések között), ismét hullám- mint az interferencia minta. Annak ellenére, hogy minden egyes atom, amely egy bizonyos ponton eléri a hátsó képernyőt, úgy viselkedik, mint egy részecske, sávokká egyesülnek, ahogy a fénynél láttuk. Miért haladnak át az atomok egyszerre két résen, enélkül nem látnánk több interferenciaperemet?

Valójában a rések közötti megfelelő távolsággal és a két képernyő közötti megfelelő távolsággal ellenőrizhetjük, hogy a hátsó képernyő világos területe (ahová az atomok egy nyitott réssel bejuthattak) most két nyitott réssel sötét (egy atom sem lép oda). Hogyan akadályozhatja meg, hogy az atomok elérjék a képernyő bizonyos részeit egy második rés megnyitása, amelyen több atom halad át?

Lássuk, meg tudjuk-e magyarázni, mi történik közönséges logikával, anélkül, hogy még kvantummechanikához folyamodnánk. Tegyük fel a következőket: annak ellenére, hogy minden atom egy mikroszkopikus részecske (elvégre minden atom egy helyen kerül a képernyőre), hatalmas számú atom ütközik és speciálisan összehangolt módon kölcsönhatásba lép egymással, és egy képet alkot láthatóság interferencia. Bárhogy is legyen, tudjuk, hogy a vízhullámok valójában sok vízmolekulából állnak, amelyek külön-külön nem hullámok. Vízmolekulák billióinak összehangolt mozgása, és nem mindegyik molekula külön-külön, hullámszerű tulajdonságokat mutat. Talán az atomágyú koordinált atomáramot bocsát ki, mint egy hullámgép egy úszómedencében.

Az illeszkedő atomok elméletének teszteléséhez megismételjük a kísérletet, de most atomokat küldünk egyenként. Bekapcsoljuk az atomágyút, és megvárjuk, amíg egy világító folt megjelenik a hátsó képernyőn, mielőtt másodszor is bekapcsoljuk, és így tovább. Úgy tűnik, hogy az atomok részecskékként, akár golyókként lőnek ki az ágyúból, és részecskékként érik a képernyőt. Természetesen a pisztoly és a képernyő közötti térben is részecskékként kell viselkedniük. De - figyelem - fókusz: egy kvantumnyúl jelenik meg a kalapból. Ahogy a foltok, amelyek mindegyike egyetlen golyó atom találatát jelzi, fokozatosan befedik a képernyőt, a világos és sötét interferencia peremek újra megjelennek rajta. Mivel az atomok most egyenként haladnak át a célponton, nem mondhatjuk, hogy sok atom kollektív viselkedése ütközik egymással és kölcsönhatásba lép egymással. Nem olyan, mint a víz hullámai. Ismét ellentmondásos eredménnyel állunk szemben: a hátsó képernyőn vannak olyan helyek, ahol az atomok egyetlen résnyitással is eltalálhatnak, és amelyek a második rés kinyitásakor is teljesen sötétek maradnak, annak ellenére, hogy a nyílás további utat biztosít. hogy az atomok elérjék a képernyőt. Úgy tűnik, valahogy egy atom áthalad egy résen tudja hogy a második nyílás nyitva van-e vagy sem, és ennek megfelelően jár el!

Tehát minden atom apró részecskeként bocsát ki az ágyúból, és részecskeként esik a második képernyőre, ahogy az az apró fényvillanásban is látható, amikor eltalálja. Ám a köztük lévő térben, amikor két réssel találkoznak, valami varázslatos dolog történik, például egy hullám terjedése, amely két részre szakad, amelyek mindegyike áthalad a résen, és kölcsönhatásba lép a másikkal a képernyő másik oldalán. Hogyan másként egy atom tud mindkét rés állapotáról (nyitott vagy zárt) egyszerre?

A fogást szem előtt tartva nézzük meg, meg tudjuk-e fogni az atomokat, ha várunk rájuk a rések mögött. Ezt úgy lehet megtenni, hogy egy érzékelőt helyezünk a bal oldali rés mögé, mondjuk úgy, hogy „jelet” (talán hangjelzést) regisztrál, amikor egy atom áthalad ezen a résen a képernyő felé vezető úton. A jobb oldali rés mögé egy második érzékelőt is elhelyezhetünk, hogy észlelje a résen áthaladó atomokat. Most, ha egy atom áthalad az egyik vagy a másik nyíláson, sípoló hangot fogunk hallani a jobb vagy a bal érzékelőtől. De ha az atom valahogy legyőzi golyószerű természetét, és átjut mindkét résen, akkor mindkét detektor egyszerre sípol.

Most azt látjuk, hogy minden alkalommal, amikor az atomágyút bekapcsolják, amihez egy fényes pont is társul a képernyőn, a jel a bal vagy a jobb szenzort bocsátja ki, de nem egyszerre mindkettőt. Kétségtelen, hogy most végre bizonyítékunk van arra, hogy az atomok kölcsönhatása akkor megy végbe, amikor az atomok áthaladnak az egyik vagy a másik résen, de nem a kettőn egyszerre. Legyünk azonban türelmesek, és továbbra is figyeljük a képernyőt. Ahogy egyesülnek az egyes fényvillanások, azt látjuk, hogy az általuk létrehozott minta már nem tűnik interferenciamintának. Ehelyett két fényes sáv jelenik meg, jelezve, hogy minden rés mögött sok atomból álló klaszter található, akárcsak a golyós kísérletben. Most a kísérlet során az atomok közönséges részecskékként viselkednek. Mintha minden atom hullámként viselkedne, amikor a résekbe ütközik, ha nem figyelik különben csak egy apró részecske marad.

Talán az érzékelő jelenléte okozza a problémát, ami befolyásolja a réseken áthaladó atomok furcsa viselkedését. Teszteljük ezt úgy, hogy eltávolítunk egy érzékelőt, mondjuk a jobb oldalon. Ebből az áramkörből még kaphatunk némi információt, mert ha bekapcsoljuk a fegyvert, és megjelenik a jel és a fényes folt a képernyőn, tudni fogjuk, hogy az atom biztosan áthaladt a bal résen. Amikor bekapcsoljuk a pisztolyt, nem hallunk jelet, de látunk egy fényes pontot a képernyőn, tudjuk, hogy az atomok biztosan a jobb résen keresztül találták el a képernyőt. Most már tudjuk, hogy az atomok áthaladtak-e a bal vagy a jobb oldali résen, de a pályájuk csak az egyik oldalon "szakadt meg". Ha maga az érzékelő okoz problémát, akkor azt várnánk, hogy a hangjelzést okozó atomok golyóként, a hangjelzést nem okozó (és a jobb résen áthaladó) atomok pedig hullámként viselkedjenek. Valószínűleg egy golyóminta (a bal résen áthaladó atomokból) és egy interferenciamintázat (a jobb résen áthaladó atomokból) keverékét fogjuk látni a képernyőn.

De nem az. Ebben a helyzetben ismét nem figyeljük meg az interferenciamintát. A képernyőn minden rés mögött egy minta képződik, amely részecskékként viselkedő golyószerű atomokból áll. Úgy tűnik, hogy egy atom helyét regisztráló szenzor puszta jelenléte elegendő ahhoz, hogy tönkretegye annak hullámviselkedését, még akkor is, ha az érzékelő bizonyos távolságra van egy másik résen áthaladó atom pályájától!

Talán a bal oldali rés melletti szenzor fizikai jelenléte is elegendő ahhoz, hogy befolyásolja az atomok áthaladását rajta, ahogyan egy nagy kő is megváltoztatja a víz irányát egy rohanó patakban. Kísérletezhetünk a bal oldali érzékelő kikapcsolásával. Még mindig a helyén van, így várhatóan hasonló lesz a hatása. Most azonban a kikapcsolt érzékelő jelenlétében ismét megjelenik az interferencia minta a képernyőn! A kísérletben részt vevő összes atom ismét hullámként kezdett viselkedni. Miért viselkednek az atomok részecskékként egy érzékelő jelenlétében a bal oldali rés közelében, de amint az érzékelőt kikapcsolják, hullámként viselkednek? Mint egy részecske, amely áthalad a jobb oldali résen, tudja arról, hogy a bal oldali érzékelő be vagy ki van kapcsolva?

Ebben a szakaszban el kell felejtened a logikát és a józan észt. Most az apró tárgyak, például atomok, elektronok vagy fotonok hullám-részecske kettősségével foglalkozunk, amelyek hullámként viselkednek, ha nem tudjuk, melyik résen haladnak át, és részecskeként viselkednek, ha megfigyeljük őket. Ez a kvantumobjektumok megfigyelésének vagy mérésének folyamata, amelyről az 1. fejezetben beszéltünk, amikor az egyes fotonok kvantum-összefonódásának demonstrációját vizsgáltuk Alain Aspe kísérletében. Emlékszel, Aspe csapata úgy mérte meg a fotonokat, hogy egy polarizált lencsén keresztül vezették őket át, amely megszüntette összegabalyodott állapotukat – ami hullámtermészetük ismertetőjele – azáltal, hogy létrehozta őket. választani egy klasszikus polarizációs irány. Hasonlóképpen, a kettős rés tesztben részt vevő atomok mérése arra kényszeríti őket, hogy válasszanak a jobb vagy a bal résen való áthaladás között.

A kvantummechanika csodálatos magyarázatot ad erre a jelenségre; de az egyetlen magyarázat arra, amit látunk - a tapasztalat eredménye - nem az, hogy mi történik, ha nem figyelünk. Mivel azonban csak látni és mérni tudunk, valószínűleg nincs értelme többet követelni a kvantumobjektumoktól. Hogyan értékelhetjük egy olyan jelenség bejelentésének legitimitását vagy helyességét, amelyet még elméletben sem tudunk ellenőrizni? Amint megpróbáljuk ezt megtenni, megváltoztatjuk az eredményt.

A kettős réses kísérlet kvantumértelmezése szerint minden atomot egy adott időpontban le kell írni egy olyan számkészlettel, amely meghatározza annak valószínű helyét a térben. Ez az a mérőszám, amelyet a 2. fejezetben leírtunk hullámfüggvény. Ezután a hullámfüggvényről beszéltünk a városon keresztül terjedő bűnözési hullám nyomon követésének példáján, a különböző területeken elkövetett rablások valószínűségének meghatározásával. Hasonlóképpen, az atom két résen való áthaladását leíró hullámfüggvény nyomon követi annak valószínűségét, hogy egy adott időpontban a berendezés bármely pontján megtaláljuk. De amint azt korábban tisztáztuk, ha a rablónak egy helyen kell lennie térben és időben, és a „bűnözés valószínűsége” hullám csak azt írja le, hogy nem tudtuk a tényleges elhelyezkedését, akkor éppen ellenkezőleg, az atom hullámfüggvényét. a kísérletben két réssel igazi, vagyis egy atom fizikai helyzetét írja le, aminek valójában nincs konkrét helyzete, hacsak meg nem mérjük. Az atom tehát mindenhol egyszerre van - persze változó valószínűséggel, így nem valószínű, hogy olyan helyeken találunk atomot, ahol kicsi a hullámfüggvénye.

Így a kettős réses kísérletben az egyes atomok helyett a forrásból a hátsó képernyőre átmenő hullámfüggvényt kell figyelembe vennünk. A réseken való áthaladáskor a hullámfüggvény ketté válik, és mindegyik fele áthalad az egyik résen. Jegyezzük meg, hogy itt az absztrakt módot írjuk le matematikai szám idővel változik. Felesleges kérdezni, hogy mit valójában megtörténik, mivel ellenőriznünk kell. De amint megpróbáljuk ezt megtenni, eltorzítjuk az eredményt.

Felmerül a kérdés: mikor "változik" újra lokalizált atommá a hullámfüggvény? Válasz: amikor megpróbáljuk meghatározni a helyzetét. Ilyen mérésnél a kvantumhullámfüggvény szakít egyetlen lehetőségig. Ez megint nem olyan, mint a betörő helyzet, amikor a hollétének bizonytalansága hirtelen egyetlen pontra csökken, majd letartóztatja a rendőrség. Ebben az esetben a meghatározás pontosan a rabló tartózkodási helyére vonatkozó információinkat érintette. Egyszerre mindig csak egy helyen volt. De ez nem így van az atom esetében; dimenzió hiányában az atom valóban mindenhol ott van.

Így a kvantumhullámfüggvény kiszámítja annak valószínűségét, hogy egy adott helyen atomot találunk, ahol meg tudjuk mérni a helyzetét egy adott időpontban. Ahol a hullámfüggvény nagy a mérés előtt, ott az atom megtalálásának ebből eredő valószínűsége nagy lesz. De ahol kicsi, talán a destruktív hulláminterferencia miatt, ott kicsi az atom megtalálásának megfelelő valószínűsége, ha meg akarjuk nézni.

Elképzelhetünk egy hullámfüggvényt, amely leír egy atomot, miután az elhagyta a forrást. Úgy viselkedik, mint egy hullám, amely a rések felé hajlik, így az első képernyő szintjén az amplitúdója minden résben egyenlő lesz. Ha az érzékelőt valamelyik résre helyezzük, akkor egyenlő valószínűséggel kell számolnunk: az esetek 50%-ában a bal, 50%-ban pedig a jobb résben rögzítjük az atomot. De - és ez fontos - ha az atomot nem az első képernyő szintjén próbáljuk érzékelni, akkor a hullámfüggvény roncsolás nélkül áthatol mindkét résen. Így kvantumfogalomban beszélhetünk arról a hullámfüggvényről, amely egy atomot ír le szuperpozíciójában: annak egyidejű két helyen való létezéséről, illetve hullámfüggvényéről, amely egyszerre halad át a jobb és a bal résen.

A rések másik oldalán a hullámfüggvény minden különálló része, egy balról és egy a jobb oldali résből, újra terjed, és olyan matematikai hullámok halmazát alkotja, amelyek átfedik egymást, egyes pontokon felerősítik egymás amplitúdóját, és semlegesítik egymás amplitúdóját. amplitúdó másoknál. A kombinált hatás az, hogy a hullámfüggvénynek olyan mintázata van, amely más hullámjelenségekre, például fényre jellemző. De ne feledjük, hogy ez az összetett hullámfüggvény még mindig egyetlen atomra jellemző.

A második képernyőn, ahol az atom helyzetének végső mérése történik, a hullámfüggvény lehetővé teszi számunkra, hogy kiszámítsuk a részecske megtalálásának valószínűségét a képernyő különböző pontjain. A képernyő világos sávjai azoknak a pozícióknak felelnek meg, ahol a két résből érkező hullámfüggvény két része egymást erősíti, a sötét sávok pedig azoknak a pozícióknak felelnek meg, ahol kioltják egymást, és nulla valószínűséget adnak annak, hogy atomot találjanak ezeket a pozíciókat.

Fontos megjegyezni, hogy ez az erősítési és semlegesítési folyamat - kvantuminterferencia - még egyetlen részecske részvételével is megtörténik. Ne feledje, hogy a képernyőn vannak olyan területek, amelyeket az egyidejűleg kibocsátott atomok csak egy nyitott résnél érhetnek el, és amelyek mindkét rés nyitott állapotában elérhetetlenek maradnak. Ennek csak akkor van értelme, ha az atomágyúból kilőtt minden egyes atomot egy hullámfüggvény ír le, amely egyszerre mindkét utat képes bejárni. A kombinált hullámfüggvény a konstruktív és destruktív interferencia területeivel kiküszöböli annak lehetőségét, hogy egy atomot észleljünk a képernyő néhány olyan helyén, amelyek csak egy nyitott réssel érhetők el.

Minden kvantumrészecske, legyen az elemi részecskék vagy atomok vagy ezekből a részecskékből álló molekulák, hullámszerű viselkedést mutatnak, így kölcsönhatásba léphetnek egymással. Ilyen kvantumállapotban mindenféle furcsa kvantumviselkedést mutathatnak, például egyszerre két helyen vannak, egyszerre mindkét irányba forognak, áthatolnak áthatolhatatlan korlátokon, vagy furcsán bonyolult kapcsolatokat ápolnak távoli partnerekkel.

Ebben az esetben miért nem lehetünk egyszerre két helyen te vagy én, akik kvantumrészecskékből állunk? Nagyon sokat segítene rohanó időnkben. A válasz erre nagyon egyszerű: minél nagyobb és masszívabb a test, annál kisebb hullámtulajdonságokkal rendelkezik, és egy olyan test tömege és méretei, mint egy személy vagy valami más, elég nagy és szabad szemmel is látható. kvantumhullámhossz, hogy nincs mérhető hatása. De ha mélyebbre nézel, azt gondolhatod, hogy tested minden atomját megfigyelik vagy mérik a körülötte lévő többi atom, így minden minimális kvantumtulajdonság nagyon gyorsan megsemmisül.

Akkor mit értünk "mérés" alatt? Az 1. fejezetben már röviden megválaszoltuk ezt a kérdést, de most részletesebben kell elidőznünk, mivel ez a kulcsa annak a kérdésnek, hogy a kvantumbiológiában mekkora a kvantumkomponens.

<<< Назад

Tovább >>>