Ingen i denne verden forstår, hvad kvantemekanik er. Dette er måske den vigtigste ting, du har brug for at vide om hende. Naturligvis har mange fysikere lært at bruge love og endda forudsige fænomener baseret på kvanteberegning. Men det er stadig uklart, hvorfor observatøren af eksperimentet bestemmer opførslen af systemet og får det til at tage en af to tilstande.
Her er nogle eksempler på eksperimenter med resultater, der uundgåeligt vil ændre sig under påvirkning af observatøren. De viser, at kvantemekanik praktisk talt handler med indblanding af bevidst tanke i den materielle virkelighed.
Der er mange fortolkninger af kvantemekanik i dag, men Københavns fortolkning er måske den mest berømte. I 1920'erne blev dets generelle postulater formuleret af Niels Bohr og Werner Heisenberg.
Københavns fortolkning er baseret på bølgefunktionen. Det er en matematisk funktion, der indeholder information om alle mulige tilstande i et kvantesystem, hvori det findes samtidig. I henhold til Københavns fortolkning kan tilstanden i et system og dets position i forhold til andre tilstande kun bestemmes ved observation (bølgefunktionen bruges kun til matematisk at beregne sandsynligheden for at finde et system i en eller anden tilstand).
Vi kan sige, at kvantesystemet efter observation bliver klassisk og ophører med at eksistere i andre tilstande end det, hvor det blev observeret. Denne konklusion fandt dens modstandere (husk den berømte Einsteins "Gud spiller ikke terninger"), men nøjagtigheden af beregninger og forudsigelser havde stadig deres egne.
Ikke desto mindre falder antallet af tilhængere af Københavns fortolkning, og hovedårsagen hertil er den mystiske øjeblikkelige sammenbrud af bølgefunktionen under eksperimentet. Erwin Schrödingers berømte tankeeksperiment med en fattig kat skulle demonstrere absurditeten i dette fænomen. Lad os huske detaljerne.
Inde i den sorte kasse sidder en sort kat og med den en flaske gift og en mekanisme, der tilfældigt kan frigive gift. For eksempel kan et radioaktivt atom bryde en boble under henfald. Atomets nøjagtige forfaldstid er ukendt. Kun halveringstiden er kendt, hvorunder henfald sker med en sandsynlighed på 50%.
Naturligvis er katten inden i kassen i to tilstande for en ekstern observatør: Den er enten i live, hvis alt gik godt, eller dødt, hvis forfaldet er sket, og flasken er ødelagt. Begge disse tilstande er beskrevet af kattens bølgefunktion, der ændrer sig over tid.
Salgsfremmende video:
Jo mere tid der er gået, jo mere sandsynligt er det, at der er sket radioaktivt henfald. Men så snart vi åbner boksen, kollapser bølgefunktionen, og vi ser straks resultaterne af dette umenneskelige eksperiment.
Faktisk, indtil observatøren åbner kassen, vil katten uendeligt balance mellem liv og død, eller vil være i live og død på samme tid. Dens skæbne kan kun bestemmes af en observatørs handlinger. Denne absurditet blev påpeget af Schrödinger.
1. Diffraktion af elektroner
Ifølge en undersøgelse af berømte fysikere fra The New York Times er elektrondiffraktionseksperimentet en af de mest fantastiske studier i videnskabshistorien. Hvad er dens natur? Der er en kilde, der udsender en stråle af elektroner til en lysfølsom skærm. Og der er en hindring i vejen for disse elektroner, en kobberplade med to spalter.
Hvilket billede kan du forvente på en skærm, hvis elektroner normalt præsenteres for os som små opladede kugler? To striber overfor spalterne i kobberpladen. Men i virkeligheden vises et meget mere komplekst mønster af skiftevis hvide og sorte striber på skærmen. Dette skyldes det faktum, at når de passerer gennem spalten, begynder elektroner at opføre sig ikke kun som partikler, men også som bølger (fotoner eller andre lyspartikler opfører sig på samme måde, som kan være en bølge på samme tid).
Disse bølger interagerer i rummet, kolliderer og forstærker hinanden, og som et resultat vises et komplekst mønster af skiftevis lys og mørke striber på skærmen. På samme tid ændres resultatet af dette eksperiment ikke, selvom elektroner passerer en ad gangen - selv en partikel kan være en bølge og passere samtidigt gennem to spalter. Dette postulat var en af de vigtigste i Københavns fortolkning af kvantemekanikken, når partikler samtidig kan demonstrere deres "almindelige" fysiske egenskaber og eksotiske egenskaber som en bølge.
Men hvad med observatøren? Det er han, der gør denne sammenfiltrede historie endnu mere forvirrende. Da fysikere under sådanne eksperimenter forsøgte at bestemme ved hjælp af instrumenter, gennem hvilke spalten elektronet faktisk passerer, ændrede billedet på skærmen sig dramatisk og blev "klassisk": med to oplyste sektioner strengt overfor spalterne uden nogen skiftende striber.
Elektronerne virkede tilbageholdende med at afsløre deres bølgeaart for observatørernes vågne øje. Det ligner et mysterium indhyllet i mørke. Men der er også en enklere forklaring: overvågning af systemet kan ikke udføres uden fysisk at påvirke det. Vi vil diskutere dette senere.
2. Opvarmede fullerener
Partikeldiffraktionsforsøg blev udført ikke kun med elektroner, men også med andre, meget større genstande. For eksempel brugte de fullerenener, store og lukkede molekyler bestående af flere titusinder af carbonatomer. For nylig forsøgte en gruppe forskere fra Universitetet i Wien under ledelse af professor Zeilinger at integrere et element af observation i disse eksperimenter. For at gøre dette bestrålede de de bevægende fullerenmolekyler med laserstråler. Derefter, opvarmet af en ekstern kilde, begyndte molekylerne at glødes og uundgåeligt vise deres tilstedeværelse for observatøren.
Sammen med denne innovation er molekylernes opførsel også ændret. Før starten af en sådan omfattende observation var fullerenes ret vellykket med at undgå forhindringer (udviser bølgeegenskaber), svarende til det foregående eksempel med elektroner, der rammer en skærm. Men med tilstedeværelsen af en observatør begyndte fullerenes at opføre sig som fuldstændig lovlydige fysiske partikler.
3. Køledimension
En af de mest berømte love i kvantefysikens verden er Heisenberg-usikkerhedsprincippet, hvorefter det er umuligt at bestemme hastigheden og placeringen af et kvanteobjekt på samme tid. Jo mere nøjagtigt vi måler en partikels momentum, jo mindre nøjagtigt kan vi måle dens position. I vores makroskopiske virkelige verden går gyldigheden af kvantelovene, der virker på små partikler, normalt ikke upåagtet.
De nylige eksperimenter med professor Schwab fra USA yder et meget værdifuldt bidrag til dette område. Kvanteeffekter i disse eksperimenter blev ikke vist på niveauet for elektroner eller fullerenmolekyler (med en tilnærmelsesvis diameter på 1 nm), men på større genstande, et lille aluminiumsbånd. Dette bånd var fastgjort på begge sider, så dets midterste var i ophængt tilstand og kunne vibrere under ekstern påvirkning. Derudover blev der placeret en enhed i nærheden, der nøjagtigt kunne registrere båndets placering. Eksperimentet afslørede flere interessante ting. For det første påvirkede enhver måling, der var relateret til objektets placering og observation af båndet, efter hver måling båndets placering ændret.
Eksperimenterne bestemte båndets koordinater med høj præcision, og ændrede således i overensstemmelse med Heisenberg-princippet dens hastighed og dermed den efterfølgende position. For det andet førte nogle målinger ganske uventet til en afkøling af båndet. Således kan observatøren ændre de fysiske egenskaber ved genstande ved hans blotte tilstedeværelse.
4. Frysning af partikler
Som du ved, forfalder ustabile radioaktive partikler ikke kun i eksperimenter med katte, men også af sig selv. Hver partikel har en gennemsnitlig levetid, som, som det viser sig, kan stige under en observatørs vågne øje. Denne kvanteeffekt blev forudsagt allerede i 1960'erne, og dens strålende eksperimentelle bevis fremkom i en artikel offentliggjort af en gruppe ledet af Nobelprisvindende fysiker Wolfgang Ketterle fra MIT.
I dette arbejde blev forfaldet af ustabile ophidsede rubidiumatomer undersøgt. Umiddelbart efter forberedelsen af systemet blev atomerne begejstret ved hjælp af en laserstråle. Observationen fandt sted i to tilstande: kontinuerlig (systemet blev konstant udsat for små lysimpulser) og pulseret (systemet blev fra tid til anden bestrålet med kraftigere impulser).
De opnåede resultater var i fuld overensstemmelse med teoretiske forudsigelser. Eksterne lyseffekter bremser partikernes forfald og bringer dem tilbage til deres oprindelige tilstand, som er langt fra forfaldstilstanden. Størrelsen af denne effekt var også i overensstemmelse med prognoserne. Den maksimale levetid for ustabile ophidsede rubidiumatomer steg 30 gange.
5. Kvantemekanik og bevidsthed
Elektroner og fullerener holder op med at vise deres bølgeegenskaber, aluminiumplader køler ned, og ustabile partikler bremser deres forfald. Det betragteres vågne øje ændrer bogstaveligt talt verden. Hvorfor kan dette ikke være et bevis på, at vores sind er involveret i verdens virke? Måske var Carl Jung og Wolfgang Pauli (østrigsk fysiker, nobelprisvinder, pioner inden for kvantemekanik) trods alt, når de sagde, at fysikens og bevidsthedens love skulle ses som komplementære til hinanden?
Vi er et skridt væk fra at erkende, at verden omkring os bare er et illusorisk produkt i vores sind. Ideen er skræmmende og fristende. Lad os prøve at vende os til fysikere igen. Især i de senere år, hvor færre og færre mennesker tror, at Københavns fortolkning af kvantemekanik med dens kryptiske bølgefunktion kollapser, og henviser til en mere jordisk og pålidelig decoherence.
Pointen er, at eksperimenterne i alle disse eksperimenter med observationer uundgåeligt påvirkede systemet. De tændte den med en laser og installerede måleenheder. De blev forenet efter et vigtigt princip: du kan ikke observere et system eller måle dets egenskaber uden at interagere med det. Enhver interaktion er en proces med at ændre egenskaber. Især når et lille kvantesystem udsættes for kolossale kvanteobjekter. Nogle evigt neutrale buddhistiske observatører er principielt umulige. Og her kommer udtrykket "decoherence" til spil, hvilket er irreversibelt set fra termodynamikens synspunkt: kvanteegenskaberne ved et system ændres, når de interagerer med et andet stort system.
Under denne interaktion mister kvantesystemet sine originale egenskaber og bliver klassisk, som om man "adlyder" et stort system. Dette forklarer også paradokset for Schrödingers kat: katten er et for stort system, så den kan ikke isoleres fra resten af verden. Selve designet af dette tankeeksperiment er ikke helt korrekt.
Under alle omstændigheder, hvis vi antager virkeligheden af skabelsen gennem bevidsthed, synes decoherence at være en meget mere praktisk tilgang. Måske endda for praktisk. Med denne tilgang bliver hele den klassiske verden en stor konsekvens af decoherence. Og som forfatteren af en af de mest berømte bøger på området har anført, fører denne tilgang logisk til udsagn som "der er ingen partikler i verden" eller "der er ingen tid på et grundlæggende niveau."
Er det sandt i en skaber-observatør eller i kraftig decoherence? Vi er nødt til at vælge mellem to onde. Ikke desto mindre er forskere i stigende grad overbevist om, at kvanteeffekter er en manifestation af vores mentale processer. Og hvor observationen slutter, og virkeligheden begynder, afhænger af hver af os.
Baseret på materialer fra topinfopost.com
