3) Și pentru că teoria cuantica, spațiu-timp poate face totul în același timp. Poate crea simultan un univers infantil și nu îl poate crea.

Țesătura spațiu-timpului poate să nu fie deloc o țesătură, ci poate consta din componente discrete care doar ni se par a fi o țesătură continuă la scari macroscopice mari.

4) În cele mai multe abordări ale gravitației cuantice, spațiu-timp nu este fundamental, ci este alcătuit din altceva. Acestea pot fi șiruri, bucle, qubiți sau variante de „atomi” spațiu-timp care apar în abordările materiei condensate. Componentele separate pot fi dezasamblate doar cu utilizarea celor mai înalte energii, depășind cu mult pe cele disponibile pe Pământ.

5) În unele abordări cu materie condensată, spațiu-timp are proprietățile unui solid sau corp lichid, adică poate fi elastic sau vâscos. Dacă acesta este într-adevăr cazul, consecințele observabile sunt inevitabile. Fizicienii caută în prezent urme de efecte similare în particulele care călătoresc, adică în lumină sau electroni care ajung la noi din spațiul profund.

Animație schematică a unui fascicul continuu de lumină împrăștiat de o prismă. În unele abordări ale gravitației cuantice, spațiul poate acționa ca un mediu de dispersie pentru diferite lungimi de undă de lumină.

6) Spațiul-timp poate afecta modul în care lumina trece prin el. Este posibil să nu fie complet transparent sau lumina de culori diferite poate călători cu viteze diferite. Dacă spațiu-timp cuantic afectează propagarea luminii, acest lucru ar putea fi observat și în experimentele viitoare.

7) Fluctuațiile spațiu-timp pot distruge capacitatea luminii din surse îndepărtate de a crea modele de interferență. Acest efect a fost căutat și nu a fost găsit, cel puțin în domeniul vizibil.

Lumina care trece prin două fante groase (sus), două fante subțiri (centru) sau o fante groasă (de jos) prezintă interferențe, indicând natura sa ondulată. Dar în gravitația cuantică, unele proprietăți de interferență așteptate ar putea să nu fie posibile.

8) În zonele cu curbură puternică, timpul se poate transforma în spațiu. Acest lucru se poate întâmpla, de exemplu, în interiorul găurilor negre sau în timpul big bang-ului. În acest caz, spațiul-timp cunoscut de noi cu trei spațiale și dimensiuni și un timp se poate transforma într-un spațiu „euclidian” cu patru dimensiuni.

Conectarea a două locuri diferite în spațiu sau timp printr-o gaură de vierme rămâne doar o idee teoretică, dar poate fi nu numai interesantă, ci și inevitabilă în gravitația cuantică.

Spațiul-timp poate fi conectat non-local la mici găuri de vierme care pătrund în întregul univers. Astfel de conexiuni non-locale trebuie să existe în toate abordările a căror structură de bază nu este geometrică, cum ar fi un grafic sau o rețea. Acest lucru se datorează faptului că în astfel de cazuri conceptul de „proximitate” nu va fi fundamental, ci subînțeles și imperfect, astfel încât zonele îndepărtate pot fi conectate aleatoriu.

10) Poate că pentru a unifica teoria cuantică cu gravitația, trebuie să actualizăm nu gravitația, ci teoria cuantică în sine. Dacă da, consecințele vor fi de amploare. Deoarece teoria cuantică se află în centrul tuturor dispozitivelor electronice, revizuirea ei va deschide posibilități complet noi.

Deși gravitația cuantică este adesea privită ca o idee pur teoretică, există multe posibilități de verificare experimentală. Cu toții călătorim prin spațiu-timp în fiecare zi. Înțelegerea lui ne poate schimba viața.

Sunt subiecte despre care scrisul este o plăcere. O sută de mii de autori au scris deja despre IT înaintea ta, o sută de mii vor scrie despre IT după, dar totuși va exista un cititor care va citi IT pentru prima dată. În acest caz, vom vorbi despre mecanica cuantică. Așteptați, nu mergeți pe alt portal, vă rog! Nu vă faceți griji că vor apărea dificultăți, ne vom limita doar la un rol modest de observator extern. Și crede-mă, nu este deloc greu.

Care este cel mai important lucru într-un experiment? Aparate? Pregătire teoretică? Asistent inteligent? Fara prieteni. Singurul lucru de care niciun experiment nu se poate lipsi este experimentatorul. Dacă nu există, nu există experiment. Până când a apărut un observator care, cu ochiul său iscoditor, urmărea rezultatul experimentului și maini iscusiteîși fixează rezultatele, ceea ce se întâmplă nu este un experiment.

Dar se dovedește că se întâmplă ca simpla prezență a unui observator în timpul unui experiment să perturbe cursul experimentului, să schimbe starea sistemului studiat și să determine evenimentele să se dezvolte într-o direcție diferită. Și vom încerca să înțelegem cum evaluează mecanica cuantică o astfel de consecință a interferenței observatorului în realitatea fizică a experimentului folosind cinci exemple clasice.

Exemplul unu: „Pisica lui Schrödinger”

Un exemplu de manual care s-a lipit de dinți: „Pisica lui Schrödinger”. Într-o cutie neagră sigilată (da, care este diferența reală ce culoare este!) Schrödinger box (Erwin Schrödinger) ascunde o pisică condiționată (imaginară), o fiolă cu otravă și un declanșator nuclear. Acest dispozitiv poate oricând sparge fiola și distruge animalul. Un experiment distractiv, ai putea spune, și ai avea dreptate. Singura scuză care poate salva onoarea savantului austriac este că experiența este pur teoretică și are scopul de a demonstra logica gândirii fizicianului.

Mecanismul de declanșare la un moment aleatoriu poate elibera un atom radioactiv, a cărui descompunere va sparge fiola cu otravă. Timpul exact dezintegrarea nu este specificată. Observatorul cunoaște doar timpul de înjumătățire, adică perioada de timp în care va avea loc dezintegrarea cu o probabilitate de „cincizeci și cincizeci” - 50 până la 50. Astfel, observând o cutie închisă, înțelegem că o pisică în interiorul ei. sistemul închis există simultan în două stări: el este fie viu, fie mort. Ambele stări pot fi descrise de funcția de undă a pisicii (viu-moartă), care se modifică în timp. Cu cât ne îndepărtăm de stadiul inițial (pisica este cu siguranță în viață), cu atât este mai probabil ca fiola să se fi spart deja și experimentul să se încheie (pisica este moartă).

Dar te poți asigura că experimentul s-a încheiat doar deschizând cutia. Prin urmare, atâta timp cât observatorul nu a pătruns în sistemul închis, probabilitatea ca pisica să fie în viață rămâne, deși tinde constant spre zero. Astfel, pisica se poate echilibra pentru totdeauna în pragul vieții și al morții, până când soarta ei este determinată de un om de știință care s-a săturat să stea deasupra unei cutii închise. Și numai atunci are loc colapsul funcției de undă și se realizează doar una dintre multele opțiuni.

Aceasta este așa-numita interpretare de la Copenhaga a științei numită „mecanica cuantică”. Este posibil să se determine în mod fiabil starea oricărui sistem numai prin observare. Iar observatorul prin simpla sa prezență schimbă rezultatul studiului. Acesta este momentul misterios pe care l-a subliniat Schrödinger.

Exemplul doi: Înghețare-particule

În anii 1960, a fost prezis efect cuantic, care a fost ulterior dovedit în practică de un grup de oameni de știință condus de laureat Nobel Wolfgang Ketterle. Studiind dezintegrarea atomilor de rubidiu excitați în aceiași atomi într-o stare stabilă și fotoni, cercetătorii au înregistrat o influență clară a observatorului asupra rezultatului experimentului.

O particulă radioactivă instabilă are o durată de viață medie, care poate crește dacă este monitorizată îndeaproape. Așadar, după începerea experimentului, oamenii de știință au început să observe dezintegrarea atomilor în două moduri diferite: continuu (sistemul a fost iradiat în mod constant cu un flux de lumină slab care a înregistrat modificări) și pulsat (un fascicul de lumină mai puternic, dar scurt periodic). a intrat în sistem).

Rezultatul obținut s-a dovedit a fi foarte interesant. Efectele luminii externe asupra sistemului au încetinit degradarea particulelor, readucendu-le la starea lor inițială. Viața atomilor de rubidiu excitați, care s-au degradat rapid, ar putea fi prelungită de zece ori. Efectul a intrat în istoria științei sub numele de cod „freeze-particle”.

Exemplul trei: „dualism electronic”

Una dintre cele mai elegante vreodată fizică cuantică este recunoscut experimentul cu difracția electronilor, realizat în 1961. Esența experimentului a fost următoarea: o placă de cupru cu două fante a fost instalată pe calea fluxului de electroni care zboară către finisajul foto.

Dacă ne imaginăm fasciculul de electroni ca un grup de bile mici încărcate, ne-am aștepta la două dungi pe ecran opus uneia și cealaltă fante. Dar, de fapt, pe ecran a apărut o imagine diferită - o zebră de configurație complexă, constând din dungi luminoase și întunecate care se alternează și se suprapun. Rezultatul experimentului nu s-a schimbat chiar dacă particulele au fost trimise prin fantă nu într-un flux continuu, ci una câte una. Fiecare dintre electroni în acel moment și-a arătat funcțiile de undă și putea trece simultan prin două fante.

Dar asta a fost doar prima jumătate a experimentului. Când fizicienii au încercat să repare rezultatul, imaginea de pe ecran a devenit instantaneu clasică - două dungi opuse fantelor din placa de cupru și nicio zebră „ciudată”. În fața ochilor observatorului, electronii „și-au pierdut” componenta de undă și au arătat o imagine familiară unui elev de gimnaziu. Prezența observatorului a avut un impact asupra sistemului și a schimbat automat rezultatele observației în sine.

Exemplul 4: „uniora le place fierbinte...”

Pe lângă electroni, moleculele mari compuse din câteva zeci de atomi de carbon (fulerene) acționează adesea ca cobai. Fullerenes, compus din șase duzini de atomi, seamănă cu o adevărată minge de fotbal cusută din hexagoane. Cu aceste elemente mari se efectuează experimente de difracție, similare celor care sunt puse pe electroni.

Nu cu mult timp în urmă, oamenii de știință din grupul vienez al profesorului Anton Zeilinger s-au aventurat să adauge un „element observator” experienței. În timpul studiului, experimentatorii au tras în fulerene mobile radiatii laser. Moleculele au fost încălzite de influențe externe și au strălucit în spațiul studiat, dezvăluind astfel locația lor.

Odată cu începutul strălucirii, s-a schimbat și comportamentul particulelor. Dacă în „întuneric”, fără prezența unui observator, fulerenele au ocolit cu atenție obstacolele, care și-au arătat proprietățile undelor, atunci odată cu apariția „spectatorului”, particulele au început să se comporte ca corpuri solide cu toate caracteristicile de comportament care decurg cunoscute din fizica clasică.

Exemplul cinci: „... și unii sunt mai reci”

Dar cel mai interesant dintre toate misterele fizicii cuantice este misterul principiului de incertitudine al lui Heisenberg (Werner Karl Heisenberg). Într-o prezentare populară, sună așa: este imposibil să stabiliți simultan atât poziția, cât și viteza unui obiect cuantic. Adică, cu cât măsurăm mai precis impulsul unei particule elementare, cu atât putem determina mai puțin exact unde se află în acest moment. Acest lucru, desigur, este slab aplicabil în lumea obiectelor mari și, în general, nu este clar ce poate decurge din asta chiar și la un nivel elementar.

Experimentul grupului condus de profesorul Schwab (Keith Schwab) a adăugat picant la incertitudinea clasică Heisenberg. Prin plasarea unei benzi minuscule de aluminiu în calea microparticulelor, oamenii de știință au conectat un dispozitiv capabil să-și înregistreze poziția cu cea mai mare precizie. Și apoi am obținut două rezultate interesante. În primul rând, fiecare măsurătoare nouă a obiectului a schimbat poziția plăcii. Dispozitivul a determinat foarte precis coordonatele benzii și, prin urmare, și-a schimbat viteza și, în consecință, poziția ulterioară în spațiu.

Dar dacă prima descoperire a fost prezisă de principiul incertitudinii, atunci a doua a fost o surpriză pentru toată lumea. Măsurătorile pe care oamenii de știință le-au făcut au dus la răcirea benzii. Adică, observatorul prin simpla sa prezență s-a schimbat caracteristici fizice obiect. În acest caz, temperatura. Imediat găsit și uz practic acest efect: acum profesorul Schwab se gândește cum să aplice acest fenomen pentru a răci cele mai complexe microcircuite.

P.S.: Sentimentul că lumea există doar în timp ce o privești, l-a vizitat chiar și pe marele Einstein. Dar ne-a asigurat că nu este cazul. Într-adevăr, cum poate observatorul lunii să afecteze luna în sine? Ei bine, ce se întâmplă dacă, de fapt, tot ceea ce se întâmplă în jurul nostru este doar o născocire a imaginației noastre? Și de îndată ce adormim, lumea va dispărea. Sau au dreptate cei care spun că legile fizicii universului și legile înțelegerii acestui univers (psihicul) ar trebui considerate ca fiind complementare unele cu altele? Ca două părți ale unei mari doctrine.

Sau, în general, este aceeași știință? Și se numește fizică. Pentru că, în comparație cu fizica, totul nu este altceva decât colecționare de timbre.

Editorial. Ești interesat de știință? Vino la Muzeul de Știință și Tehnologie Populară din Kiev "

Viața este cel mai extraordinar fenomen din universul observabil; dar cum a apărut viața? Chiar și în era clonării și biologiei sintetice, un adevăr remarcabil rămâne adevărat: nimeni nu a reușit încă să creeze un lucru viu din materiale complet neînsuflețite. Viața se naște numai din viață. Se pare că încă ne lipsesc unele dintre componentele sale fundamentale? La fel ca Genea egoistă a lui Richard Dawkins, care a oferit o nouă perspectivă asupra procesului evolutiv, Life on the Edge remodelează înțelegerea noastră asupra principiilor fundamentale. forţe motrice a acestei lumi. În ea, autorii examinează atât cele mai recente date experimentale, cât și descoperiri de la vârful științei și fac acest lucru într-un stil unic inteligibil. Jim Al-Khalili și Jonjo McFadden vorbesc despre ingredientul lipsă mecanica cuantică; fenomen care stă la baza acestei științe cele mai misterioase.

Carte:

<<< Назад

Înainte >>>

Vom reveni la foton și copac în scurt timp și vom afla cum se leagă ele cu lumea cuantică, dar mai întâi să aruncăm o privire la un experiment surprinzător de simplu care evidențiază mistica lumii cuantice. În timp ce facem tot posibilul să explicăm cât mai clar posibil ce se înțelege prin expresii precum „suprapunerea cuantică”, nimic nu este mai clar decât celebrul experiment cu două fante descris mai jos.

Experimentul cu două fante arată cel mai simplu și pe deplin că totul este aranjat diferit în lumea cuantică. Particulele se pot comporta ca undele pe măsură ce se propagă prin spațiu, iar undele pot prelua uneori proprietățile particulelor. Am vorbit deja despre dualitatea undă-particulă: în introducere este descrisă ca o caracteristică datorită căreia devine clar modul în care Soarele generează energie; În capitolul 3, am analizat modul în care caracteristicile undelor electronilor și protonilor le permit să depășească barierele energetice din structura enzimelor. În acest capitol, veți afla că dualitatea undă-particulă afectează și cele mai importante reacții biochimice din biosferă: transformarea aerului, apei și luminii în plante, microorganisme și, indirect, pe noi toți. Dar mai întâi, trebuie să înțelegem cum ideea îndrăzneață că particulele pot fi în mai multe locuri în același timp este susținută de cele mai simple, mai elegante și, în același timp, cele mai ambițioase experimente din istorie: unul dintre aceste experimente, conform lui Richard Feynman, „se află în centrul mecanicii cuantice”.

Totuși, trebuie să vă avertizez că ceea ce este descris aici vi se va părea imposibil și vă puteți gândi că trebuie să existe o modalitate mai rațională de a explica ceea ce se întâmplă. S-ar putea să vă întrebați care este secretul acestui truc magic. Sau poți trage concluzia că experiența este pură speculație teoretică, alcătuită de oameni de știință cărora le lipsea imaginația de a înțelege funcționarea naturii. Dar niciuna dintre aceste explicații nu este corectă. Experiența dublei fante nu are o explicație (obișnuită), dar este reală și a fost replicată de mii de ori.

Vom descrie experimentul în trei pași; primele două se vor ocupa de descrierea condițiilor astfel încât să puteți aprecia rezultatele de neînțeles ale etapei a treia, principală.

În primul rând, un fascicul de lumină monocromă (format din valuri de aceeași culoare, adică valuri de aceeași lungime) este direcționat către un ecran cu două fante înguste care permit luminii să treacă prin ambele fante către al doilea ecran (Fig. 4.1).

Orez. 4.1. Experiment cu dublă fantă, etapa 1 Când lumina monocromă (având o anumită lungime de undă) este trimisă în două fante, fiecare fantă acționează ca o nouă sursă de lumină pe cealaltă parte. Datorită naturii ondulatorii, lumina se propagă (se împrăștie) după ce trece prin fiecare fantă, astfel încât undele circulare se suprapun și interacționează între ele, formând benzi întunecate și luminoase pe ecranul din spate.

Controlând cu precizie lățimea fantelor, distanța dintre ele și distanța dintre cele două ecrane, putem crea o secvență de franjuri deschise și întunecate pe al doilea ecran, cunoscută sub numele de model de interferență.

Modelele de interferență sunt grafice de unde și sunt ușor de văzut în orice mediu de undă. Aruncă o piatră pe suprafața iazului și vei vedea o serie de valuri circulare concentrice radiand din punctul de stropire. Aruncă două pietre în același iaz și fiecare își va forma propriile valuri concentrice. Acolo unde undele de la cele două pietre se suprapun, veți vedea un model de interferență (Figura 4.2).

Orez. 4.2. Interferența undelor constructive și distructive

Acolo unde vârful unei undă întâlnește punctul minim al altuia, ele se anulează reciproc, rezultând nicio undă în acel punct. Acest fenomen se numește interferență distructivă. În schimb, acolo unde două vârfuri sau două puncte minime se întâlnesc, ele se întăresc reciproc, creând un val dublu: acest fenomen se numește interferență constructivă. Un model similar de dezintegrare și amplificare a undelor poate fi observat în orice mediu de undă. Fizicianul englez Thomas Young a demonstrat interferența fasciculelor de lumină într-o versiune timpurie a experimentului cu dublă fantă, realizat cu peste 200 de ani în urmă. Rezultatul l-a convins pe el și pe mulți alți oameni de știință că lumina era de fapt o undă.

Interferența pe care o vedem în experimentul cu dublă fantă depinde în primul rând de calea pe care undele luminoase o parcurg prin fantă și apoi se propagă, o proprietate a undelor cunoscută sub numele de difracție. Astfel, fasciculele care emană din fante se suprapun și se absorb unele pe altele înainte de a ajunge pe lunetă, la fel ca valurile pe apă. În anumite puncte ale ecranului, undele de lumină care emană din cele două fante intră într-o fază în care vârfurile și jgheaburile alternează, fie pentru că au parcurs aceeași distanță până la ecran, fie pentru că diferența de distanță pe care au parcurs-o este un multiplu al distanța dintre vârfurile lor. În acest caz, înaltele și scăzutele valurilor se combină pentru a forma puncte și mai înalte și mai joase. Acest fenomen se numește interferență constructivă. Când undele sunt stratificate, se formează lumină de intensitate mare și, în consecință, o bandă strălucitoare pe ecran. Dar, în alte puncte, lumina din cele două fante devine defazată, iar punctul cel mai înalt al unei undă se întâlnește cu punctul cel mai de jos al celeilalte. În aceste puncte, undele se anulează reciproc, ceea ce duce la formarea unei benzi întunecate pe ecran - interferență distructivă. Între aceste două extreme, combinația nu este nici complet „în fază”, nici „defazată” și rămâne puțină lumină. Astfel, vedem pe ecran nu o succesiune exactă de dungi luminoase și întunecate, ci o schimbare lină a intensității între punctele maxime și minime din modelul de interferență. Această schimbare regulată și ondulată a intensității este un indicator cheie al fenomenelor ondulatorii. Există un exemplu cu unde sonore: un muzician, în timp ce acordă un instrument, ascultă bătăi, care se obțin dacă o notă este foarte apropiată ca frecvență de alta, astfel încât în ​​drum spre urechea muzicianului acestea cad uneori în fază sau în afara de faza. Variația combinațiilor lor produce un sunet comun, al cărui volum crește și scade periodic. Modificarea treptată a intensității sunetului se datorează interferenței dintre două unde separate. Rețineți că aceste bătăi sunt un fenomen care respectă legile fizicii clasice și nu necesită o interpretare cuantică.

Factorul cheie în experimentul cu dublă fantă este că fasciculul de lumină care intră în primul ecran trebuie să fie monocrom (format din lungimi de undă de aceeași lungime). Lumina albă care provine de la un bec obișnuit, dimpotrivă, este formată din valuri de diferite lungimi de undă (toate culorile curcubeului), așa că undele vor cădea aleatoriu pe ecran. În acest caz, în ciuda faptului că vârfurile și punctele joase ale valurilor vor interacționa între ele, imaginea rezultată va fi atât de complexă și neclară încât benzile individuale vor fi imposibil de distins. În mod similar, în ciuda ușurinței de a obține un model de interferență prin aruncarea a două pietre într-un iaz, o cascadă uriașă care cade în iaz formează atât de multe valuri încât este imposibil să vezi vreun model de interferență coerent.

Acum, în a doua etapă a experimentului cu dublă fantă, nu vom folosi lumină, ci gloanțe care zboară spre ecran. Concluzia este că folosim particule solide, nu unde se propagă. Fiecare glonț trebuie, desigur, să treacă printr-unul sau altul, dar nu ambele în același timp. După ce numărul necesar de gloanțe a trecut prin fante, vom vedea pe ecranul din spate două benzi de găuri de gloanțe corespunzătoare celor două fante (Fig. 4.3).

Orez. 4.3. Experimentați cu două fante, etapa 2. Spre deosebire de comportamentul undelor luminoase, fluxul de gloanțe care zboară prin fante demonstrează comportamentul particulelor. Fiecare glonț care lovește ecranul din spate trebuie să treacă prin unul sau altul, dar nu prin ambele (presupunând că mijlocul ecranului este suficient de gros, desigur, pentru a prinde gloanțe care ratează sloturile). Spre deosebire de interferența cu mai multe benzi, modelul de pe ecranul din spate arată un grup de gloanțe în jurul a două benzi înguste corespunzătoare fiecărei fante

Desigur, nu avem de-a face cu valuri. Fiecare glonț este o particulă separată și nu interacționează cu celălalt, deci nu există interferențe.

Și acum a treia etapă: „smecheria” cuantică. Experimentul se repetă folosind atomi în loc de gloanțe. Un fascicul de atomi care emană de la sursă zboară spre ecran cu două fante înguste. Pentru a înregistra impactul atomilor, cel de-al doilea ecran are un strat fotoluminiscent, pe care apare un punct minuscul luminos la locul impactului atomului.

Dacă ar exista bunul simț la nivel microscopic, atunci atomii s-ar comporta ca niște gloanțe minuscule. Mai întâi, vom efectua experimentul deschizând doar fanta din stânga și vom vedea o bandă de puncte luminoase pe ecran în spatele fantei deschise. Un anumit număr de puncte sunt plasate neuniform pe ecran: acest lucru poate indica faptul că unii atomi sunt respinși de la margini, își schimbă traiectoria și nu trec strict prin fantă. Apoi, vom deschide slotul din dreapta și vom aștepta să apară puncte luminoase pe ecranul din spate.

Dacă vi s-ar cere să preziceți distribuția punctelor strălucitoare și nu știți nimic despre mecanica cuantică, ați ghici în mod natural că ar semăna cu imaginea obținută în experimentul cu gloanțe. Și anume: în spatele fiecărui slot se formează o bandă de puncte, adică pe ecran apar două zone luminoase diferite, mai luminoase în centru și treptat estompând spre margini, deoarece loviturile atomilor devin mai rare. De asemenea, se poate aștepta ca zona din mijloc dintre cele două benzi luminoase să fie întunecată, deoarece corespunde părții ecranului care este impenetrabilă atomilor, indiferent în ce decalaj se încadrează.

Totuși, acest lucru nu se potrivește cu ceea ce vedem. Dimpotrivă, vedem o imagine foarte clară a interferenței benzilor luminoase și întunecate, exact la fel ca în experimentul cu lumina. Credeți sau nu, cea mai strălucitoare parte a ecranului este situată în centru: în zona în care nu ar trebui să cadă mulți atomi (Fig. 4.4).

Orez. 4.4. Experimentați cu două fante, etapa 3. Când gloanțele sunt înlocuite cu atomi emiși de la o sursă situată în fața fantelor (desigur, lățimea și distanța corespunzătoare dintre fante sunt selectate la fiecare etapă), observăm din nou o undă- ca tipar de interferență. Chiar dacă fiecare atom care lovește ecranul din spate la un anumit punct se comportă ca o particulă, ele se unesc în benzi, așa cum am văzut cu lumina. De ce atomii trec prin două fante în același timp, fără de care nu am vedea mai multe franjuri de interferență?

De fapt, cu distanța corectă dintre fante și distanța corectă dintre cele două ecrane, putem verifica că zona luminoasă de pe ecranul din spate (unde ar fi putut intra atomii cu o fante deschisă) este acum, cu două fante deschise, întunecat (nici un atom nu intră acolo). Cum poate deschide o a doua fantă, care permite trecerea mai multor atomi, să împiedice atomii să ajungă în anumite părți ale ecranului?

Să vedem dacă putem explica ce se întâmplă folosind logica obișnuită, fără a apela încă la mecanica cuantică. Să presupunem următoarele: în ciuda faptului că fiecare atom este o particulă microscopică (la urma urmei, fiecare atom lovește ecranul într-un singur loc), un număr mare de atomi care se ciocnesc și interacționează între ei într-un mod special coordonat formează o imagine cu vizibilitate interferență. Oricum ar fi, știm că valurile de apă sunt de fapt formate din multe molecule de apă, care individual nu sunt valuri. Este mișcarea coordonată a trilioane de molecule de apă, și nu fiecare moleculă în mod individual, care prezintă proprietăți asemănătoare valurilor. Poate că pistolul atomic emite un flux coordonat de atomi, ca o mașină cu valuri într-o piscină.

Pentru a testa teoria atomilor potriviți, vom repeta experimentul, dar acum vom trimite atomi unul câte unul. Pornim tunul atomic și așteptăm să apară un punct strălucitor pe ecranul din spate înainte de a-l porni a doua oară, și așa mai departe, o anumită parte a ecranului. Atomii par să iasă din tun ca niște particule, precum gloanțe, și lovesc ecranul ca niște particule. Desigur, în spațiul dintre pistol și ecran, ar trebui să se comporte ca niște particule. Dar - atenție - focalizare: din pălărie apare un iepure cuantic. Pe măsură ce petele, fiecare dintre ele înregistrând impactul unui singur atom de glonț, acoperă treptat ecranul, pe el reapar franjuri de interferență luminoase și întunecate. Deoarece atomii trec acum prin țintă unul câte unul, nu putem spune că există un comportament colectiv al multor atomi care se ciocnesc și interacționează între ei. Nu este ca valurile de apă. Din nou, ne confruntăm cu un rezultat contradictoriu: există locuri pe ecranul din spate pe care atomii le pot lovi cu o singură fantă deschisă și care rămân complet întunecate atunci când a doua fantă este deschisă, în ciuda faptului că deschiderea acesteia oferă o cale suplimentară. pentru ca atomii să lovească ecranul. Se pare că un atom, care trece printr-o fantă, cumva stie indiferent dacă al doilea slot este deschis sau nu și acționează în consecință!

Deci, fiecare atom este emis din pistol ca o particulă minusculă și cade pe al doilea ecran ca o particulă, așa cum se vede în fulgerul mic de lumină în timp ce lovește. Dar în spațiul dintre ele, când se întâlnesc cu două fante, se întâmplă ceva magic, ca o undă care se propagă, care se împarte în două componente, fiecare trecând prin fantă și interacționând cu cealaltă de cealaltă parte a ecranului. Cum altfel poate un atom stiu despre starea (deschisă sau închisă) a ambelor fante în același timp?

Cu o captură în minte, să vedem dacă putem prinde atomii așteptându-i în spatele fantelor. Acest lucru se poate face prin plasarea unui senzor în spatele fantei din stânga, să zicem astfel încât să înregistreze un „semnal” (eventual un bip) atunci când un atom trece prin această fantă în drumul său către ecran. De asemenea, putem plasa un al doilea senzor în spatele fantei din dreapta pentru a detecta atomii care trec prin acea fantă. Acum, dacă un atom trece printr-unul sau celălalt slot, vom auzi un bip de la senzorul din dreapta sau din stânga. Dar dacă atomul își poate depăși cumva natura de glonț și poate trece prin ambele fante, atunci ambii detectoare vor emite un bip în același timp.

Acum vedem că de fiecare dată când tunul atomic este pornit, ceea ce este însoțit de apariția unui punct luminos pe ecran, semnalul emite senzorul din stânga sau din dreapta, dar nu ambele deodată. Fără îndoială, acum avem în sfârșit dovezi că interacțiunea atomilor are loc atunci când atomii trec printr-unul sau celălalt slot, dar nu ambele în același timp. Totuși, să avem răbdare și să continuăm să urmărim ecranul. Pe măsură ce fulgerele individuale de lumină se combină, vedem că modelul pe care îl creează nu mai arată ca un model de interferență. În schimb, apar două benzi strălucitoare, indicând un grup de mulți atomi în spatele fiecărei fante, la fel ca în experimentul cu glonț. Acum, în timpul experimentului, atomii se comportă ca niște particule obișnuite. Ca și cum fiecare atom se comportă ca un val când se întâlnește cu fante, dacă nu este urmărit altfel rămâne doar o mică particule.

Poate că prezența senzorului cauzează problema, afectând comportamentul ciudat al atomilor care trec prin fante. Să testăm acest lucru prin eliminarea unui senzor, să zicem din dreapta. Putem obține în continuare câteva informații din acest circuit, deoarece atunci când pistolul este pornit și semnalul și punctul luminos apar pe ecran, vom ști că atomul trebuie să fi trecut prin fanta din stânga. Când pornim pistolul, nu auzim un semnal, dar vedem un punct luminos pe ecran, știm că atomii trebuie să fi lovit ecranul prin fanta din dreapta. Acum putem ști dacă atomii au trecut prin fanta din stânga sau din dreapta, dar traiectoria lor este „ruptă” doar pe o parte. Dacă senzorul în sine provoacă probleme, ne-am aștepta ca atomii care au provocat semnalul sonor să se comporte ca niște gloanțe, iar atomii care nu au provocat semnalul sonor (și au trecut prin fanta dreaptă) să se comporte ca undele. Vom vedea probabil un amestec de un model de glonț (de la atomii care trec prin fanta din stânga) și un model de interferență (de la atomii care trec prin fanta din dreapta) pe ecran.

Dar nu este. În această situație, din nou nu observăm modelul de interferență. Pe ecran se formează un model în spatele fiecărei fante, alcătuit din atomi ca un glonț care se comportă ca niște particule. Se pare că simpla prezență a unui senzor care înregistrează locația unui atom este suficientă pentru a-i distruge comportamentul undei, chiar dacă senzorul este situat la o oarecare distanță de traiectoria unui atom care trece printr-o altă fantă!

Poate că prezența fizică a senzorului de lângă fanta din stânga este suficientă pentru a afecta trecerea atomilor prin el, la fel cum o piatră mare schimbă direcția apei într-un curent care se repezi. Putem experimenta prin oprirea senzorului din stânga. El este încă la locul lui, așa că ne putem aștepta ca impactul lui să fie aproape același. Dar acum, în prezența senzorului oprit, modelul de interferență apare din nou pe ecran! Toți atomii care participau la experiment au început să se comporte din nou ca niște unde. De ce atomii se comportă ca niște particule în prezența unui senzor în apropierea fantei din stânga, dar de îndată ce senzorul este oprit, se comportă ca undele? Ca o particulă care trece prin fanta dreaptă, stie despre dacă senzorul din stânga este pornit sau oprit?

În această etapă, va trebui să uiți de logică și de bunul simț. Acum avem de-a face cu dualitatea undă-particulă a obiectelor minuscule, cum ar fi atomii, electronii sau fotonii, care se comportă ca o undă dacă nu știm prin ce fantă trec și ca o particulă dacă le observăm. Acesta este procesul de observare sau măsurare a obiectelor cuantice, despre care am vorbit în Capitolul 1, când ne-am uitat la demonstrația încâlcirii cuantice a fotonilor individuali în experimentul lui Alain Aspe. După cum vă amintiți, echipa lui Aspe a măsurat fotonii trecându-i printr-o lentilă polarizată care le-a eliminat starea încurcată - care este un semn distinctiv al naturii lor ondulatorii - făcându-i a alege o singură direcție de polarizare clasică. În mod similar, măsurarea atomilor implicați în testul cu fantă dublă îi obligă să aleagă între trecerea prin fanta din dreapta sau din stânga.

Mecanica cuantică ne oferă o rațiune minunată pentru acest fenomen; dar singura explicație pentru ceea ce vedem – rezultatul experienței – nu este despre ceea ce se întâmplă atunci când nu observăm. Cu toate acestea, deoarece putem doar să vedem și să măsurăm, probabil că nu are sens să cerem mai mult de la obiectele cuantice. Cum putem evalua legitimitatea sau corectitudinea raportării unui fenomen pe care nu îl putem verifica niciodată, nici măcar în teorie? De îndată ce încercăm să facem acest lucru, schimbăm rezultatul.

Interpretarea cuantică a experimentului cu dublă fante este că, în orice moment dat în timp, fiecare atom trebuie să fie descris printr-un set de numere care determină locația sa probabilă în spațiu. Aceasta este metrica pe care am descris-o în Capitolul 2 ca funcția de undă. Apoi am vorbit despre funcția de undă folosind exemplul de urmărire a unui val de criminalitate care se răspândește printr-un oraș prin determinarea probabilității de jaf în diferite zone. În mod similar, funcția de undă care descrie trecerea unui atom prin două fante urmărește probabilitatea de a-l găsi în orice punct al aparatului la un moment dat. Dar, așa cum am clarificat mai devreme, dacă tâlharul trebuie să aibă o singură locație în spațiu și timp, iar valul „probabilității crimei” descrie doar lipsa noastră de cunoștințe despre locația sa reală, atunci, dimpotrivă, funcția de undă a atomului în experimentul cu două fante real, adică descrie poziția fizică a unui atom, care nu are cu adevărat o poziție specifică decât dacă îl măsurăm. Atomul este astfel în toate locurile în același timp - cu probabilitate variabilă, desigur, așa că este puțin probabil să găsim un atom în locurile în care funcția sa de undă este mică.

Astfel, în loc de atomi individuali care participă la experimentul cu dublu fantă, trebuie să luăm în considerare funcția de undă care trece de la sursă la ecranul din spate. La trecerea prin fante, funcția de undă se împarte în două și fiecare jumătate trece printr-una dintre fante. Rețineți că ceea ce descriem aici este modul în care abstractul matematic numărul se modifică în timp. Este inutil să întrebi ce in realitate se întâmplă, deoarece trebuie să căutăm pentru a verifica. Dar de îndată ce încercăm să facem acest lucru, distorsionăm rezultatul.

Apare întrebarea: când funcția de undă „se transformă” din nou într-un atom localizat? Răspuns: când încercăm să-i determinăm poziția. Cu o astfel de măsurare, funcția de undă cuantică se rupe până la o singură posibilitate. Din nou, aceasta nu seamănă cu situația de hoț, unde incertitudinea locului său se reduce brusc la un singur punct, după care este arestat de poliție. În acest caz, definiția a afectat tocmai informațiile noastre despre locul unde se află tâlharul. El a fost întotdeauna într-un singur loc la un moment dat. Dar nu este cazul atomului; în absența oricărei dimensiuni, atomul este într-adevăr peste tot.

Astfel, funcția de undă cuantică calculează probabilitatea de a găsi un atom într-o anumită locație, unde îi putem măsura poziția la un moment dat. Acolo unde funcția de undă este mare înainte de măsurare, probabilitatea rezultată de a găsi atomul va fi mare. Dar acolo unde este mic, poate din cauza interferenței undelor distructive, probabilitatea corespunzătoare de a găsi un atom, dacă vrem să privim, este scăzută.

Ne putem imagina o funcție de undă care descrie un atom după ce părăsește sursa. Se comportă ca o undă care tinde spre sloturi, astfel încât la nivelul primului ecran amplitudinea sa va fi egală în fiecare slot. Dacă plasăm senzorul pe una dintre fante, ar trebui să ne așteptăm la probabilități egale: 50% din timp vom fixa atomul pe fanta din stânga și 50% din timp pe fanta din dreapta. Dar - și acest lucru este important - dacă nu încercăm să detectăm atomul la nivelul primului ecran, atunci funcția de undă pătrunde prin ambele fante fără distrugere. Astfel, în termeni cuantici, putem vorbi despre funcția de undă care descrie un atom în suprapunerea lui: existența lui în două locuri în același timp, respectiv, funcția sa de undă trecând prin fantele din dreapta și din stânga în același timp.

Pe cealaltă parte a sloturilor, fiecare parte individuală a funcției de undă, una din stânga și una din fanta din dreapta, se propagă din nou și formează un set de unde matematice care se suprapun, amplificând reciproc amplitudinea în anumite puncte și neutralizându-se reciproc. amplitudine la altele. Efectul combinat este că funcția de undă are un model care este caracteristic altor fenomene ondulatorii, cum ar fi lumina. Dar să ținem cont de faptul că această funcție de undă complexă este încă caracteristică unui singur atom.

Pe al doilea ecran, unde se face măsurarea finală a poziției atomului, funcția de undă ne permite să calculăm probabilitatea de a găsi o particule în diferite puncte de pe ecran. Barele luminoase de pe ecran corespund pozițiilor în care cele două părți ale funcției de undă care provin din cele două fante se întăresc reciproc, iar barele întunecate corespund pozițiilor în care se anulează reciproc și formează o probabilitate zero de a găsi un atom. în aceste posturi.

Este important să ne amintim că acest proces de amplificare și neutralizare - interferență cuantică - are loc chiar și cu participarea unei singure particule. Amintiți-vă că există zone pe ecran în care atomii emiși simultan le pot ajunge doar cu o fante deschisă și care rămân inaccesibile cu ambele fante deschise. Acest lucru are sens doar dacă fiecare atom tras din tunul atomic este descris de o funcție de undă care poate parcurge ambele căi în același timp. Funcția de undă combinată cu zone de interferență constructivă și distructivă elimină posibilitatea de a detecta un atom în unele poziții de pe ecran care sunt accesibile doar cu o fante deschisă.

Toate particulele cuantice, fie particule elementare sau atomii sau moleculele formate din aceste particule prezintă un comportament asemănător undelor, astfel încât să poată interacționa între ele. Într-o astfel de stare cuantică, ei pot prezenta tot felul de comportament cuantic ciudat, cum ar fi să se afle în două locuri simultan, să se rotească în ambele direcții în același timp, să treacă prin bariere impenetrabile sau conexiuni ciudat de complicate cu parteneri îndepărtați.

În acest caz, de ce nu putem tu sau eu, care suntem alcătuiți din particule cuantice, să fim în două locuri în același timp? Ar fi de mare ajutor în vremurile noastre agitate. Răspunsul la aceasta este foarte simplu: cu cât corpul este mai mare și mai masiv, cu atât mai puțin proprietățile valurilor are, de asemenea, un corp cu masa și dimensiunile unui om, sau altceva suficient de mare și vizibil cu ochiul liber va avea o lungime de undă cuantică atât de mică încât nu are efect măsurabil. Dar, dacă te uiți mai adânc, ai putea crede că fiecare atom din corpul tău este observat sau măsurat de alți atomi din jurul lui, deci orice minim proprietăți cuantice, pe care le poate avea, sunt distruse foarte repede.

Atunci ce înțelegem prin „măsurare”? Am răspuns deja pe scurt la această întrebare în Capitolul 1, dar acum trebuie să ne oprim mai detaliat asupra ei, deoarece acesta este punctul cheie în întrebarea cât de mare este componenta cuantică în biologia cuantică.

<<< Назад

Înainte >>>