Nihče na tem svetu ne razume, kaj je kvantna mehanika. To je morda najpomembnejše, kar morate vedeti o njej. Seveda so se mnogi fiziki naučili uporabljati zakone in celo napovedovati pojave, ki temeljijo na kvantnem računanju. Še vedno pa ni jasno, zakaj opazovalec eksperimenta določi vedenje sistema in ga naredi eno od dveh stanj.
Tu je nekaj primerov poskusov z rezultati, ki se bodo neizogibno spremenili pod vplivom opazovalca. Pokažejo, da se kvantna mehanika praktično ukvarja s posegom zavestne misli v materialno resničnost.
Danes je veliko razlaganj kvantne mehanike, toda morda je najbolj znana kopenhagenska razlaga. V dvajsetih letih 20. stoletja sta njena splošna postulata oblikovala Niels Bohr in Werner Heisenberg.
Kopenhagenska razlaga temelji na valovni funkciji. Gre za matematično funkcijo, ki vsebuje informacije o vseh možnih stanjih kvantnega sistema, v katerem obstaja hkrati. Glede na kopenhagensko razlago je stanje sistema in njegov položaj glede na druga stanja mogoče določiti le z opazovanjem (valovna funkcija se uporablja le za matematično izračunavanje verjetnosti, da najdemo sistem v enem ali drugem stanju).
Lahko rečemo, da kvantni sistem po opazovanju postane klasičen in takoj preneha obstajati v drugih stanjih od tistega, v katerem je bil opažen. Ta zaključek je našel svoje nasprotnike (spomnite se znanega Einsteinovega "Bog ne igra kock"), vendar je natančnost izračunov in napovedi še vedno imela svoje.
Kljub temu število podpornikov københavnske razlage upada, glavni razlog za to pa je skrivnostni trenutni kolaps valovne funkcije med poskusom. Znani miselni eksperiment Ervina Schrödingerja s slabo mačko naj bi pokazal nesmiselnost tega pojava. Spomnimo se podrobnosti.
V notranjosti črne škatle sedi črna mačka, z njo pa steklenica strupa in mehanizem, ki lahko naključno sprosti strup. Na primer, radioaktivni atom lahko med razpadom razbije mehurček. Natančen čas razpada atoma ni znan. Znana je le razpolovna doba, med katero pride do razpada z verjetnostjo 50%.
Očitno je, da je za zunanjega opazovalca mačka v škatli v dveh stanjih: ali je živa, če je šlo vse v redu, ali mrtva, če je prišlo do propada in se je steklenica zlomila. Obe stanji opisuje valovna funkcija mačke, ki se sčasoma spreminja.
Promocijski video:
Več časa je minilo, večja je verjetnost, da je prišlo do propada radioaktivnosti. Toda takoj ko odpremo škatlo, se funkcija valovanja sesede in takoj vidimo rezultate tega nečloveškega eksperimenta.
Pravzaprav bo mačka neskončno balansirala med življenjem in smrtjo, ali bo hkrati živa in mrtva. Njegovo usodo lahko določimo le z dejanji opazovalca. Ta absurd je poudaril Schrödinger.
1. Difrakcija elektronov
Po raziskavi znanih fizikov The New York Timesa je eksperiment z difrakcijo elektronov ena izmed najbolj neverjetnih študij v zgodovini znanosti. Kakšna je njegova narava? Obstaja vir, ki oddaja snop elektronov na svetlobno občutljiv zaslon. In ovira se na poti teh elektronov bakrena plošča z dvema režama.
Kakšno sliko lahko pričakujete na zaslonu, če se nam elektroni običajno predstavljajo kot majhne nabiti kroglice? Dve trakovi nasproti rež v bakreni plošči. A v resnici se na zaslonu prikaže veliko bolj zapleten vzorec izmenično belih in črnih črt. To je posledica dejstva, da se elektroni pri prehodu skozi režo začnejo obnašati ne samo kot delci, ampak tudi kot valovi (fotoni ali drugi svetlobni delci se obnašajo enako, kar je lahko val hkrati).
Ti valovi medsebojno delujejo v vesolju, se med seboj trčijo in krepijo, zato se na zaslonu prikaže zapleten vzorec izmeničnih svetlih in temnih trakov. Hkrati se rezultat tega poskusa ne spremeni, tudi če elektroni prehajajo enega za drugim - celo en delček je lahko val in prehaja hkrati skozi dve reži. Ta postulat je bil eden glavnih v kopenhaški razlagi kvantne mehanike, ko lahko delci hkrati pokažejo svoje "navadne" fizikalne lastnosti in eksotične lastnosti kot val.
Kaj pa opazovalec? Prav on naredi to zapleteno zgodbo še bolj zmedeno. Ko so fiziki med takšnimi poskusi skušali ugotoviti s pomočjo instrumentov, skozi katere režo elektrona dejansko prehaja, se je slika na zaslonu dramatično spremenila in postala "klasična": z dvema osvetljenima odsekoma, natančno nasproti rež, brez izmeničnih črt.
Zdi se, da elektroni neradi razkrivajo svojo valovno naravo budnim očesom opazovalcev. Videti je kot skrivnost, zavita v temo. Obstaja pa tudi preprostejša razlaga: spremljanja sistema ni mogoče izvesti brez fizičnega vpliva nanj. O tem bomo razpravljali pozneje.
2. Ogrevani fulereni
Poskusi z difrakcijo delcev so bili izvedeni ne samo z elektroni, temveč tudi z drugimi, veliko večjimi predmeti. Uporabljali so na primer fulerene, velike in zaprte molekule, sestavljene iz več deset atomov ogljika. Pred kratkim je skupina znanstvenikov z dunajske univerze pod vodstvom profesorja Zeilingerja poskušala v te poskuse vključiti element opazovanja. Da bi to naredili, so obsevali gibljive molekule fulerena z laserskimi žarki. Nato so se segrele z zunanjim virom, molekule so začele žvečiti in neizogibno so pokazale svojo prisotnost za opazovalca.
Skupaj s to inovacijo se je spremenilo tudi vedenje molekul. Pred začetkom tako obsežnega opazovanja so bili fulereni precej uspešni pri izogibanju oviram (ki kažejo valovne lastnosti), podobno kot prejšnji primer z elektroni, ki so zadeli zaslon. Toda s prisotnostjo opazovalca so se fullereni začeli obnašati kot popolnoma zakoniti fizični delci.
3. Dimenzija hlajenja
Eden najbolj znanih zakonov v kvantni fiziki na svetu je Heisenbergovo načelo negotovosti, po katerem je nemogoče hkrati določiti hitrost in položaj kvantnega predmeta. Bolj ko natančno izmerimo moment delca, manj natančno lahko izmerimo njegov položaj. Vendar pa v našem makroskopskem resničnem svetu veljavnost kvantnih zakonov, ki delujejo na drobne delce, običajno ostane neopažena.
Nedavni poskusi profesorja Schwaba iz ZDA zelo dragoceno prispevajo k temu področju. Kvantni učinki v teh poskusih niso bili dokazani na ravni molekul elektronov ali fulerena (s približnim premerom 1 nm), temveč na večjih predmetih, drobnem aluminijastem traku. Ta trak je bil pritrjen na obeh straneh, tako da je bila njegova sredina v visečem stanju in bi lahko vibrirala pod zunanjim vplivom. Poleg tega je bila v bližini postavljena naprava, ki je lahko natančno zabeležila položaj traku. Eksperiment je razkril več zanimivih stvari. Prvič, vsaka meritev, povezana s položajem predmeta in opazovanjem traku, je vplivala nanj, po vsaki meritvi se je položaj traku spreminjal.
Poskusniki so z visoko natančnostjo določili koordinate traku in tako v skladu s Heisenbergovim načelom spremenili njegovo hitrost in s tem tudi poznejši položaj. Drugič, precej nepričakovano so nekatere meritve privedle do ohlajanja traku. Tako lahko opazovalec spreminja fizične lastnosti predmetov že s samo prisotnostjo.
4. Zamrzovalni delci
Kot veste, nestabilni radioaktivni delci razpadejo ne samo v poskusih z mačkami, ampak tudi sami. Vsak delec ima povprečno življenjsko dobo, ki se lahko, kot se izkaže, pod budnim očesom opazovalca poveča. Ta kvantni učinek je bil napovedan že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, njegovi briljantni eksperimentalni dokazi pa so se pojavili v članku, ki ga je objavila skupina, ki jo je vodil Nobelov nagrajenec fizik Wolfgang Ketterle z MIT.
V tem delu so preučevali razpad nestabilnih vzbujenih atomov rubidija. Takoj po pripravi sistema smo atome vzbudili z laserskim žarkom. Opazovanje je potekalo v dveh načinih: neprekinjeni (sistem je bil nenehno izpostavljen majhnim svetlobnim impulzom) in impulzen (sistem je občasno obseval z močnejšimi impulzi).
Dobljeni rezultati so bili popolnoma v skladu s teoretičnimi napovedmi. Zunanji svetlobni učinki upočasnijo razpadanje delcev in jih vrnejo v prvotno stanje, ki je daleč od stanja razpada. Obseg tega učinka je bil tudi v skladu z napovedmi. Najdaljša življenjska doba nestabilnih vzbujenih atomov rubidija se je povečala 30-krat.
5. Kvantna mehanika in zavest
Elektroni in fulereni prenehajo kazati svoje valovne lastnosti, aluminijaste plošče se ohladijo, nestabilni delci pa upočasnijo razpad. Pazljivo oko gledalca dobesedno spreminja svet. Zakaj to ne more biti dokaz vpletenosti našega uma v svet dela? Mogoče sta bila Carl Jung in Wolfgang Pauli (avstrijski fizik, nobelov nagrajenec, pionir kvantne mehanike), ko sta rekla, da je treba zakone fizike in zavesti razumeti kot dopolnjevanje drug drugega?
Mi smo en korak stran od spoznanja, da je svet okoli nas le iluzorni izdelek našega uma. Ideja je strašljiva in mamljiva. Poskusimo se spet obrniti na fizike. Zlasti v zadnjih letih, ko vse manj ljudi verjame, da se kopenhagenska interpretacija kvantne mehanike s svojo kriptično valovno funkcijo zruši, pri čemer se sklicuje na bolj lahka in zanesljiva dekoncentracija.
Bistvo je, da so eksperimentatorji v vseh teh poskusih z opazovanji neizogibno vplivali na sistem. Prižgali so ga z laserjem in namestili merilne naprave. Združilo jih je pomembno načelo: ne morete opazovati sistema ali meriti njegovih lastnosti, ne da bi z njim delovali. Vsaka interakcija je postopek spreminjanja lastnosti. Še posebej, ko je majhen kvantni sistem izpostavljen kolosalnim kvantnim predmetom. Nekega večno nevtralnega budističnega opazovalca načeloma ni mogoče. In tu se prične izraz "dekoherenca", ki je s termodinamičnega vidika nepovratna: kvantne lastnosti sistema se spreminjajo med interakcijo z drugim velikim sistemom.
Med to interakcijo kvantni sistem izgubi svoje prvotne lastnosti in postane klasičen, kot da "uboga" velik sistem. To pojasnjuje tudi paradoks mačke Schrödinger: mačka je prevelik sistem, zato ga ni mogoče izolirati od preostalega sveta. Sama zasnova tega miselnega eksperimenta ni povsem pravilna.
Vsekakor, če zavestno predpostavimo resničnost dejanja stvarstva, se zdi dekoherenca veliko bolj priročen pristop. Morda celo preveč priročno. S tem pristopom postane celoten klasični svet ena velika posledica dekoherenčnosti. In kot je navedel avtor ene najbolj znanih knjig na tem področju, ta pristop logično vodi do izjav, kot so "na svetu ni delcev" ali "ni časa na temeljni ravni."
Ali je res v ustvarjalcu-opazovalcu ali v močni dekoherenci? Izbirati moramo med dvema zloboma. Kljub temu so znanstveniki vse bolj prepričani, da so kvantni učinki manifestacija naših mentalnih procesov. In kje se opazovanje konča in se začne resničnost, je odvisno od vsakega od nas.
Na podlagi materialov s strani topinfopost.com