Ingen i den här världen förstår vad kvantmekanik är. Det här är kanske det viktigaste du behöver veta om henne. Naturligtvis har många fysiker lärt sig att använda lagar och till och med förutsäga fenomen baserade på kvantberäkning. Men det är fortfarande oklart varför observatören av experimentet bestämmer beteendet hos systemet och får det att ta ett av två tillstånd.
Här är några exempel på experiment med resultat som oundvikligen kommer att förändras under påverkan av observatören. De visar att kvantmekanik praktiskt handlar om ingripande av medveten tanke i materiell verklighet.
Det finns många tolkningar av kvantmekanik idag, men Köpenhamnstolkningen är kanske den mest kända. På 1920-talet formulerades dess allmänna postulater av Niels Bohr och Werner Heisenberg.
Köpenhamnstolkningen är baserad på vågfunktionen. Det är en matematisk funktion som innehåller information om alla möjliga tillstånd i ett kvantsystem där det existerar samtidigt. Enligt Köpenhamnstolkningen kan tillståndet för ett system och dess position relativt andra tillstånd bestämmas genom observation (vågfunktionen används endast för att matematiskt beräkna sannolikheten för att hitta ett system i ett eller annat tillstånd).
Vi kan säga att kvantsystemet efter observation blir klassiskt och upphör omedelbart att existera i andra tillstånd än det där det observerades. Denna slutsats fann dess motståndare (kom ihåg den berömda Einsteins "Gud spelar inte tärningar"), men noggrannheten i beräkningar och förutsägelser hade fortfarande sina egna.
Ändå minskar antalet anhängare av Köpenhamnstolkningen, och huvudorsaken till detta är den mystiska omedelbara kollaps av vågfunktionen under experimentet. Erwin Schrödingers berömda tankeexperiment med en fattig katt borde visa absurditeten i detta fenomen. Låt oss komma ihåg detaljerna.
Inuti den svarta lådan sitter en svart katt och med sig en flaska gift och en mekanism som slumpmässigt kan släppa gift. Till exempel kan en radioaktiv atom bryta en bubbla under förfall. Atomens exakta sönderfallstid är okänd. Endast halveringstiden är känd, under vilken förfall inträffar med en sannolikhet på 50%.
För en extern observatör är uppenbarligen katten inuti lådan i två tillstånd: den är antingen levande om allt gick bra, eller dött om förfallet har inträffat och flaskan har gått sönder. Båda dessa tillstånd beskrivs av kattens vågfunktion, som förändras över tid.
Kampanjvideo:
Ju mer tid har gått, desto mer troligt är det att radioaktivt förfall har inträffat. Men så snart vi öppnar lådan kollapsar vågfunktionen, och vi ser omedelbart resultaten av detta omänskliga experiment.
I själva verket, tills observatören öppnar lådan, kommer katten oändligt att balansera mellan liv och död, eller kommer att vara levande och död på samma gång. Dess öde kan endast bestämmas av en observatørs handlingar. Denna absurditet påpekades av Schrödinger.
1. Diffraktion av elektroner
Enligt en undersökning av berömda fysiker från The New York Times är elektrondiffraktionsexperimentet en av de mest fantastiska studierna i vetenskapens historia. Vad är dess natur? Det finns en källa som släpper ut en elektronstråle till en ljuskänslig skärm. Och det finns ett hinder i vägen för dessa elektroner, en kopparplatta med två slitsar.
Vilken typ av bild kan du förvänta dig på en skärm om elektroner vanligtvis presenteras för oss som små laddade bollar? Två ränder mittemot spåren i kopparplattan. Men i verkligheten visas ett mycket mer komplext mönster av alternerande vita och svarta ränder på skärmen. Detta beror på det faktum att när de passerar genom slitsen börjar elektroner bete sig inte bara som partiklar utan också som vågor (fotoner eller andra ljuspartiklar uppträder på samma sätt, vilket kan vara en våg på samma gång).
Dessa vågor samverkar i rymden, kolliderar och förstärker varandra, och som ett resultat visas ett komplext mönster av växlande ljus och mörka ränder på skärmen. Samtidigt förändras inte resultatet av detta experiment, även om elektroner passerar en efter en - till och med en partikel kan vara en våg och passera samtidigt genom två slitsar. Detta postulat var en av de viktigaste i Köpenhamns tolkning av kvantmekanik, när partiklar samtidigt kan visa sina "vanliga" fysiska egenskaper och exotiska egenskaper som en våg.
Men hur är det med observatören? Det är han som gör denna trassliga historia ännu mer förvirrande. När fysiker under sådana experiment försökte bestämma med hjälp av instrument, genom vilka spalten elektroniken faktiskt passerar, förändrades bilden på skärmen dramatiskt och blev "klassisk": med två upplysta sektioner strikt mitt emot slitsarna, utan några växlande ränder.
Elektronerna tycktes ovilliga att avslöja sin vågiga natur för observatörernas vakande öga. Det ser ut som ett mysterium omsluten av mörker. Men det finns också en enklare förklaring: att övervaka systemet kan inte genomföras utan att fysiskt påverka det. Vi kommer att diskutera detta senare.
2. Uppvärmda fullerener
Partikeldiffraktionsexperiment utfördes inte bara med elektroner utan också med andra, mycket större föremål. Till exempel använde de fullerener, stora och slutna molekyler bestående av flera tiotals kolatomer. Nyligen försökte en grupp forskare från universitetet i Wien, under ledning av professor Zeilinger, införliva ett observationselement i dessa experiment. För att göra detta bestrålade de de rörliga fullerenmolekylerna med laserstrålar. Sedan började molekylerna, uppvärmda av en extern källa, glöda och oundvikligen visa sin närvaro för observatören.
Tillsammans med denna innovation har molekylernas beteende också förändrats. Före starten av en sådan omfattande observation var fullerenes ganska framgångsrika med att undvika hinder (uppvisar vågegenskaper), liknande det tidigare exemplet med elektroner som träffade en skärm. Men med närvaron av en observatör började fullerenes uppträda som helt laglydiga fysiska partiklar.
3. Kylningsdimension
En av de mest kända lagarna i kvantfysikens värld är Heisenbergs osäkerhetsprincip, enligt vilken det är omöjligt att bestämma hastigheten och positionen för ett kvantobjekt samtidigt. Ju mer exakt vi mäter momentum för en partikel, desto mindre exakt kan vi mäta dess position. Men i vår makroskopiska verkliga värld går giltigheten hos kvantlagar som verkar på små partiklar vanligtvis obemärkt.
De senaste experimenten av professor Schwab från USA ger ett mycket värdefullt bidrag till detta område. Kvanteffekter i dessa experiment demonstrerades inte på nivån av elektroner eller fullerenmolekyler (med en ungefärlig diameter av 1 nm), utan på större föremål, ett litet aluminiumband. Det här bandet fixerades på båda sidor så att mitten var i upphängd tillstånd och kunde vibrera under yttre påverkan. Dessutom placerades en enhet i närheten som exakt kunde spela in bandets position. Experimentet avslöjade flera intressanta saker. För det första påverkade varje mätning relaterad till objektets position och observation av bandet det, efter varje mätning ändrades bandets position.
Experimenterna bestämde bandets koordinater med hög precision och ändrade således, i enlighet med Heisenberg-principen, hastigheten och därmed den efterföljande positionen. För det andra, ganska oväntat, ledde vissa mätningar till en kylning av bandet. Således kan observatören ändra de fysiska egenskaperna hos föremål genom sin blotta närvaro.
4. Frys partiklar
Som ni vet förfaller instabila radioaktiva partiklar inte bara i experiment med katter utan också av sig själva. Varje partikel har en genomsnittlig livslängd, som, som det visar sig, kan öka under en observatörs vaksamma öga. Denna kvanteffekt förutsades så tidigt som på 60-talet, och dess lysande experimentella bevis dök upp i en artikel publicerad av en grupp som leddes av Nobelpristagaren i fysik Wolfgang Ketterle från Massachusetts Institute of Technology.
I detta arbete studerades förfallet av instabila upphetsade rubidiumatomer. Omedelbart efter beredningen av systemet upphetsades atomerna med en laserstråle. Observationen ägde rum i två lägen: kontinuerlig (systemet utsattes ständigt för små ljuspulser) och pulserades (systemet bestrålades med kraftigare pulser då och då).
De erhållna resultaten var i full överensstämmelse med teoretiska förutsägelser. Externa ljuseffekter bromsar partiklarnas sönderfall och återför dem till sitt ursprungliga tillstånd, vilket är långt ifrån förfallet. Storleken på denna effekt var också i linje med prognoserna. Den maximala livslängden för instabila exciterade rubidiumatomer ökade 30 gånger.
5. Kvantmekanik och medvetande
Elektroner och fullerener slutar visa sina vågegenskaper, aluminiumplattor svalnar och instabila partiklar bromsar deras förfall. Det betraktande som ser betraktaren förändrar bokstavligen världen. Varför kan detta inte vara ett bevis på att våra sinnen är involverade i världens arbete? Kanske hade Carl Jung och Wolfgang Pauli (österrikisk fysiker, nobelpristagare, kvantmekanikens pionjär) rätt när de sa att fysikens och medvetandets lagar borde ses som komplement till varandra?
Vi är ett steg bort från att inse att världen runt oss bara är en illusorisk produkt av vårt sinne. Idén är skrämmande och frestande. Låt oss försöka vända oss till fysiker igen. Särskilt de senaste åren, när färre och färre människor tror att Köpenhamns tolkning av kvantmekanik, med dess kryptiska vågfunktion kollapsar, med hänvisning till en mer vardaglig och pålitlig decoherence.
Poängen är att i alla dessa experiment med observationer påverkade experter oundvikligen systemet. De tände den med en laser och installerade mätanordningar. De var förenade med en viktig princip: du kan inte observera ett system eller mäta dess egenskaper utan att interagera med det. Varje interaktion är en process för att ändra egenskaper. Speciellt när ett litet kvantsystem utsätts för kolossala kvantobjekt. Någon evigt neutral buddhistisk observatör är i princip omöjlig. Och här spelar termen "decoherence" in, vilket är irreversibelt ur termodynamisk synvinkel: ett systems kvantegenskaper förändras när man interagerar med ett annat stort system.
Under denna interaktion förlorar kvantsystemet sina ursprungliga egenskaper och blir klassiskt, som om "lydde" ett stort system. Detta förklarar också paradoxen hos Schrödingers katt: katten är ett för stort system, så det kan inte isoleras från resten av världen. Själva utformningen av detta tankeexperiment är inte helt korrekt.
I alla fall, om vi antar verkligheten i skapandet genom medvetande, verkar decoherence vara en mycket mer bekväm inställning. Kanske till och med för bekvämt. Med detta tillvägagångssätt blir hela den klassiska världen en stor konsekvens av decoherence. Och som författaren till en av de mest kända böckerna på området säger, leder denna strategi logiskt till uttalanden som "det finns inga partiklar i världen" eller "det finns ingen tid på en grundläggande nivå."
Är det sant i en skapare-iakttagare eller i kraftfull decoherence? Vi måste välja mellan två ont. Ändå är forskare alltmer övertygade om att kvanteffekter är en manifestation av våra mentala processer. Och var observationen slutar och verkligheten börjar beror på var och en av oss.
Baserat på material från topinfopost.com
