A világon senki sem érti, mi a kvantummechanika. Ez talán a legfontosabb dolog, amit tudnia kell róla. Természetesen sok fizikus megtanulta a törvények alkalmazására és a kvantumszámításon alapuló jelenségek előrejelzésére. De továbbra sem világos, hogy a kísérlet megfigyelője miért határozza meg a rendszer viselkedését, és a két állapot egyikét kényszeríti rá.
Íme néhány példa az eredményekkel végzett kísérletekre, amelyek elkerülhetetlenül megváltoznak a megfigyelő befolyása alatt. Megmutatják, hogy a kvantummechanika gyakorlatilag a tudatos gondolkodás beavatkozása az anyagi valóságba.
A kvantummechanika ma sokféle értelmezésben létezik, de a koppenhágai értelmezés talán a leghíresebb. Az 1920-as években általános posztulátumait Niels Bohr és Werner Heisenberg fogalmazta meg.
A koppenhágai értelmezés a hullámfüggvényen alapszik. Ez egy matematikai függvény, amely információkat tartalmaz egy kvantumrendszer minden lehetséges állapotáról, amelyben egyidejűleg létezik. A koppenhágai értelmezés szerint a rendszer állapotát és helyzetét más államokhoz viszonyítva csak megfigyeléssel lehet meghatározni (a hullámfüggvényt csak arra használják, hogy matematikailag kiszámítsák a rendszer egyik vagy másik állapotban való megtalálásának valószínűségét).
Azt mondhatjuk, hogy a megfigyelés után a kvantumrendszer klasszikusvá válik, és azonnal megszűnik létezni más államokban, mint amelyekben megfigyelték. Ez a következtetés megtalálta ellenfeleit (emlékezzünk a híres Einstein "Isten nem játszik kocka" -ra), ám a számítások és előrejelzések pontosságának még mindig megvan a maga sajátossága.
Ennek ellenére a koppenhágai értelmezés támogatóinak száma csökken, és ennek fő oka a hullámfunkció titokzatos, pillanatnyi összeomlása a kísérlet során. Erwin Schrödinger híres gondolatkísérlete egy szegény macskával igazolja ennek a jelenségnek az abszurditását. Emlékezzünk a részletekre.
A fekete dobozban fekszik egy fekete macska, vele egy üveg méreg és egy mechanizmus, amely véletlenszerűen szabadíthat fel méreget. Például egy radioaktív atom elbonthatja a buborékot a bomlás során. Az atom pontos bomlási ideje ismeretlen. Csak a felezési idő ismert, amelynek során a bomlás 50% valószínűséggel fordul elő.
Nyilvánvaló, hogy egy külső megfigyelő számára a macska a dobozban két állapotban van: vagy él, ha minden jól ment, vagy elhalt, ha a bomlás megtörtént, és az üveg eltört. Mindkét állapotot a macska hullámfüggvénye jellemzi, amely idővel változik.
Promóciós videó:
Minél több idő telt el, annál valószínűbb, hogy radioaktív bomlás történt. De amint kinyitjuk a dobozt, a hullámfunkció összeomlik, és azonnal meglátjuk ennek az embertelen kísérletnek az eredményeit.
Valójában, amíg a megfigyelő kinyitja a dobozt, a macska végtelenül egyensúlyba hoz az élet és a halál között, vagy egyszerre él és hal meg. Sorsa csak egy megfigyelő cselekedeteivel határozható meg. Erre az abszurdumra Schrödinger rámutatott.
1. Az elektronok diffrakciója
A híres fizikusok által a New York Times által készített felmérés szerint az elektrondiffrakciós kísérlet a tudomány története egyik legcsodálatosabb tanulmánya. Mi a természete? Van egy forrás, amely elektronnyalábot bocsát ki a fényérzékeny képernyőre. És ezen elektronok útjában akadály van, egy két réses rézlemez.
Milyen képet várhat a képernyőn, ha az elektronokat általában kis töltésű golyóként mutatják be nekünk? Két csík a rézlemez réseivel szemben. De a valóságban a váltakozó fehér és fekete csíkok sokkal összetettebb mintája jelenik meg a képernyőn. Ennek oka az a tény, hogy amikor a résen áthaladnak, az elektronok nem csak részecskékként viselkednek, hanem hullámokként is viselkednek (a fotonok vagy más fényszemcsék ugyanúgy viselkednek, amelyek ugyanakkor hullámok is lehetnek).
Ezek a hullámok kölcsönhatásba lépnek az űrben, ütköznek és megerősítik egymást, ennek eredményeként a váltakozó világos és sötét csíkok komplex mintája jelenik meg a képernyőn. Ugyanakkor a kísérlet eredménye nem változik, még ha az elektronok egyenként is áthaladnak - akár egy részecske is lehet hullám, és egyszerre haladhat két résen. Ez a posztulátum volt a kvantummechanika koppenhágai értelmezésének egyik legfontosabb eleme, amikor a részecskék egy hullámként egyidejűleg igazolhatják "szokásos" fizikai tulajdonságaikat és egzotikus tulajdonságaikat.
De mi van a megfigyelővel? Ő az, aki ezt a kusza történetet még zavarosabbá teszi. Amikor a fizikusok az ilyen kísérletek során olyan műszerek segítségével megpróbálták meghatározni, melyik résen keresztül halad át az elektron, a képernyőn megjelenő kép drámaian megváltozott és "klasszikus" lett: két megvilágított szekcióval, szigorúan a résekkel szemben, váltakozó csíkok nélkül.
Úgy tűnt, az elektronok vonakodnak feltárni hullám természetüket a megfigyelők figyelő szemére. Úgy néz ki, mint egy sötétben rejtett rejtély. De van egy egyszerűbb magyarázat is: a rendszer megfigyelése nem végezhető el annak fizikai befolyásolása nélkül. Ezt később megvitatjuk.
2. Fűtött fullerének
A részecskék diffrakciós kísérleteit nemcsak elektronokkal, hanem más, sokkal nagyobb tárgyakkal is elvégeztük. Például fulleréneket, nagy és zárt molekulákat alkalmaztak, több tíz szénatomból. Nemrégiben a bécsi egyetem kutatói, Zeilinger professzor vezetésével, megkíséreltek egy megfigyelési elemet beépíteni ezekbe a kísérletekbe. Ehhez a mozgó fullerén molekulákat lézernyalábokkal besugározták. Ezután egy külső forrás által hevített molekulák izzottak és elkerülhetetlenül megmutatták jelenlétüket a megfigyelő számára.
Ezen újítás mellett a molekulák viselkedése is megváltozott. Egy ilyen átfogó megfigyelés megkezdése előtt a fullerének meglehetősen sikeresek voltak az akadályok elkerülésében (hullámtulajdonságok mutatása), hasonlóan az előző példához, amikor az elektronok a képernyőre csapódtak. De egy megfigyelő jelenlétével a fullerének úgy kezdtek viselkedni, mint a teljesen törvénytisztelő fizikai részecskék.
3. Hűtési méret
A kvantumfizika világának egyik leghíresebb törvénye a Heisenberg bizonytalanság elve, amely szerint lehetetlen egy kvantumobjektum sebességét és helyzetét egyszerre meghatározni. Minél pontosabban mérjük a részecske lendületét, annál kevésbé pontosan tudjuk mérni a részecske helyzetét. Makroszkopikus valós világunkban azonban az apró részecskékre ható kvantumtörvények érvényessége általában észrevétlen marad.
Schwab, az Egyesült Államok professzorának közelmúltbeli kísérletei nagyon értékes hozzájárulást jelentenek e területhez. Ezekben a kísérletekben a kvantumhatásokat nem elektronok vagy fullerén molekulák szintjén (körülbelül 1 nm átmérővel), hanem nagyobb tárgyakon, egy apró alumínium szalagon mutatták be. Ezt a szalagot mindkét oldalán rögzítették úgy, hogy közepe felfüggesztett állapotban volt, és külső behatás alatt rezeghessen. Ezenkívül egy olyan készüléket helyeztek el a közelben, amely pontosan rögzíti a szalag helyzetét. A kísérlet számos érdekes dolgot tárt fel. Először, a tárgy helyzetével és a szalag megfigyelésével kapcsolatos bármilyen mérés befolyásolta azt, minden mérés után a szalag helyzete megváltozott.
A kísérletezők nagy pontossággal meghatározták a szalag koordinátáit, és így a Heisenberg elvével összhangban megváltoztatták a sebességét, és következésképpen a későbbi helyzetét. Másodszor, elég váratlanul, néhány mérés a szalag lehűléséhez vezetett. Így a megfigyelő puszta jelenlétével megváltoztathatja a tárgyak fizikai tulajdonságait.
4. Fagyasztó részecskék
Mint tudod, az instabil radioaktív részecskék nem csak a macskákkal végzett kísérletekben, hanem önmagukban is bomlanak. Mindegyik részecske átlagos élettartammal rendelkezik, amely, mint kiderül, megnövekedhet egy megfigyelő figyelő szeme alatt. Ezt a kvantumhatást a 60-as években jósolták meg, és ragyogó kísérleti bizonyítéka egy olyan cikkben jelent meg, amelyet a Nobel fizika-díjat nyert fizikai csoport Wolfgang Ketterle, a Massachusetts Technológiai Intézet vezetésével készített csoportja tett közzé.
Ebben a munkában az instabil gerjesztett rubídium atomok bomlását vizsgáltam. Közvetlenül a rendszer előkészítése után az atomokat lézernyalábgal gerjesztettük. A megfigyelésre két módban került sor: folyamatos (a rendszert állandóan kis fényimpulzusoknak tették ki) és impulzusos (a rendszert időről időre erőteljesebb impulzusokkal besugározták).
A kapott eredmények teljes mértékben összhangban voltak az elméleti előrejelzésekkel. A külső fényhatások lelassítják a részecskék bomlását, visszatérve eredeti állapotukba, amely messze van a bomlás állapotától. E hatás nagysága szintén összhangban volt az előrejelzésekkel. Az instabil gerjesztett rubídiumatomok maximális élettartama 30-szor nőtt.
5. Kvantummechanika és tudatosság
Az elektronok és a fullerének nem mutatják hullámtulajdonságukat, az alumíniumlemezek lehűlnek, és az instabil részecskék lelassítják bomlásukat. A szemlélő figyelő szeme szó szerint megváltoztatja a világot. Miért nem lehet ez bizonyíték arra, hogy elménk részt vesz a világ működésében? Talán Carl Jung és Wolfgang Pauli (osztrák fizikus, Nobel-díjas, a kvantummechanika úttörője) valójában igaza volt, amikor kijelentették, hogy a fizika és a tudat törvényeit egymást kiegészítőnek kell tekinteni?
Egy lépéssel vagyunk annak felismerésén, hogy a körülöttünk lévő világ csak elméjük illúziós terméke. Az ötlet ijesztő és csábító. Próbáljunk ismét fizikusokhoz fordulni. Különösen az elmúlt években, amikor egyre kevesebb ember hiszi a kvantummechanika koppenhágai értelmezését, annak rejtélyes hullámfunkciójával összeomlva, ami egy hétköznapiabb és megbízhatóbb elvárásokra utal.
A lényeg az, hogy ezekben a megfigyelési kísérletekben a kísérletezők elkerülhetetlenül befolyásolták a rendszert. Megvilágították egy lézerrel és felszereltek mérőberendezéseket. Egy fontos elv egyesítette őket: nem figyelhet meg egy rendszert, és nem mérheti annak tulajdonságait anélkül, hogy velük kölcsönhatásba lépne. Bármely interakció a tulajdonságok módosításának folyamata. Különösen akkor, ha egy apró kvantumrendszer ki van téve kolosszális kvantumobjektumoknak. Valamely örökké semleges buddhista megfigyelő elvileg lehetetlen. És itt a „decoherence” kifejezés kerül játékra, amely termodinamikai szempontból visszafordíthatatlan: egy rendszer kvantumtulajdonságai megváltoznak, ha egy másik nagy rendszerrel kölcsönhatásba lépnek.
Ezen kölcsönhatás során a kvantumrendszer elveszíti eredeti tulajdonságait, és klasszikusvá válik, mintha egy nagyrendszer „engedelmeskedik”. Ez megmagyarázza Schrödinger macskájának paradoxonját: a macska túl nagy rendszer, tehát nem lehet elszigetelni a világ többi részétől. A gondolatkísérlet megtervezése nem teljesen helyes.
Mindenesetre, ha feltesszük a tudatosság által létrehozott cselekedet valóságát, akkor a dekoherencia sokkal kényelmesebb megközelítésnek tűnik. Talán még túl kényelmes is. Ezzel a megközelítéssel az egész klasszikus világ a dekoherencia egyik nagy következménnyé válik. És ahogy a terület egyik leghíresebb könyvének szerzője kijelentette, ez a megközelítés logikusan olyan állításokhoz vezet, mint "a világban nincs részecske" vagy "nincs idő alapvető szinten".
Igaz egy alkotó-megfigyelőnél vagy a hatalmas dekoherenciában? Két gonosz között kell választanunk. Ennek ellenére a tudósok egyre inkább meg vannak győződve arról, hogy a kvantumhatások mentális folyamataink megnyilvánulása. És hogy a megfigyelés mikor ér véget, és hol kezdődik a valóság, mindannyiunktól függ.
A topinfopost.com anyagai alapján