A kvantumfizika rejtelmei. A kvantummechanika öt titka. A turbulencia leírásának módja

Az élet a legkülönlegesebb jelenség a megfigyelhető univerzumban; de hogyan keletkezett az élet? Még a klónozás és a szintetikus biológia korszakában is igaz marad egy figyelemre méltó igazság: még senkinek sem sikerült teljesen élettelen anyagokból élőlényeket létrehoznia. Az élet csak az életből fakad. Tehát még mindig hiányzik néhány alapvető összetevője? Ahogy Richard Dawkins Az önző gén című műve új betekintést engedett az evolúciós folyamatba, a Living on the Edge megváltoztatja a világot mozgató alapvető erőkről alkotott képünket. Ebben a szerzők a legfrissebb kísérleti adatokat és a tudomány élvonalbeli felfedezéseit tekintik át, és mindezt egyedülállóan világos stílusban. Jim Al-Khalili és Jonjoe McFadden a kvantummechanika hiányzó darabjáról beszél; a jelenség, amely ennek a legtitokzatosabb tudománynak az alapja.

Könyv:

Rövidesen visszatérünk a fotonhoz és a fához, és meglátjuk, hogyan viszonyulnak a kvantumvilághoz, de először egy meglepően egyszerű kísérlet megfontolására hívunk, amely rávilágít a kvantumvilág rejtélyére. Miközben mindent megteszünk annak érdekében, hogy a lehető legvilágosabban elmagyarázzuk, mit jelentenek az olyan kifejezések, mint a „kvantum-szuperpozíció”, semmi sem világosabb, mint az alább ismertetett híres, kétrés kísérlet.

A kettős réses kísérlet a legegyszerűbben és legteljesebben megmutatja, hogy a kvantumvilágban minden másképp működik. A részecskék hullámként viselkedhetnek, ahogy terjednek a térben, és a hullámok néha felvehetik a részecskék tulajdonságait. A hullám-részecske kettősségről már beszéltünk: a bevezetőben olyan tulajdonságként írjuk le, amely világossá teszi, hogy a Nap hogyan termel energiát; A 3. fejezetben megvizsgáltuk, hogy az elektronok és protonok hullámkarakterisztikája hogyan teszi lehetővé számukra az enzimek szerkezetében lévő energiagátak leküzdését. Ebből a fejezetből megtudhatja, hogy a hullám-részecske kettősség a bioszféra legfontosabb biokémiai reakcióit is befolyásolja: a levegő, a víz és a fény átalakulását növényekké, mikroorganizmusokká és – közvetve – mindannyiunkká. Először azonban meg kell értenünk, hogy a történelem legegyszerűbb, legelegánsabb és egyben legambiciózusabb kísérletei hogyan támasztják alá azt a merész elképzelést, hogy a részecskék egyszerre több helyen is lehetnek: az egyik ilyen kísérlet Richard Feynman szerint: a kvantumtudomány középpontjában áll."

Figyelmeztetnem kell azonban, hogy az itt leírtak lehetetlennek tűnnek számodra, és azt gondolhatod, hogy kell valami racionálisabb módja annak, hogy megmagyarázd, mi történik. Kíváncsi lehet, mi a titka ennek a bűvésztrükknek. Vagy arra a következtetésre juthat, hogy a tapasztalat pusztán elméleti spekuláció, amelyet olyan tudósok álmodtak meg, akiknek nem volt fantáziája a természet mechanizmusainak megértéséhez. De ezen magyarázatok egyike sem helytálló. A kettős rés kísérletnek nincs (hang) magyarázata, de valóságos, és ezerszer reprodukálták.

A kísérletet három lépésben írjuk le; az első kettő a feltételek leírásáról szól majd, hogy értékelni tudja a harmadik, fő szakasz érthetetlen eredményeit.

Először egy monokróm fénysugarat (amely azonos színű, azaz azonos hosszúságú hullámokból áll) egy képernyőre irányítanak két keskeny réssel, amelyek lehetővé teszik, hogy a fény áthaladjon mindkét résen egy második képernyőre (ábra). 4.1).

Rizs. 4.1. Kísérleti kettős rés 1. szakasz: Ha monokróm fényt (meghatározott hullámhosszal) két résre irányítanak, mindegyik rés új fényforrásként működik a másik oldalon. A hullám jellegéből adódóan a fény minden résen áthaladva szétterül (szór) úgy, hogy a kör alakú hullámok átfedik egymást és kölcsönhatásba lépnek egymással, sötét és világos csíkokat képezve a hátsó képernyőn.

A rések szélességének, a köztük lévő távolságnak és a két képernyő távolságának precíz szabályozásával a második képernyőn világos és sötét peremsorozatot hozhatunk létre, amelyet interferenciamintának nevezünk.

Az interferenciaminták hullámok grafikonjai, és könnyen láthatóak bármilyen hullámközegben. Dobj egy követ a tó felszínére, és látni fogod, hogy egy sor koncentrikus kör alakú hullám eltávolodik a csobbanási ponttól. Dobj két követ ugyanabba a tóba, és mindegyik létrehozza a saját koncentrikus hullámait. Ahol a két kő hullámai átfedik egymást, interferenciamintát fog látni (4.2. ábra).

Rizs. 4.2. Konstruktív és destruktív hulláminterferencia

Ahol az egyik hullám csúcsa találkozik a másik hullámvölgyével, kioltják egymást, így ezen a ponton nincs hullám. Ezt a jelenséget destruktív interferenciának nevezik. Ellenkező esetben, ahol két csúcs vagy két mélyedés találkozik, erősítik egymást, kettős hullámot hozva létre: ezt a jelenséget konstruktív interferenciának nevezik. A hullámok csillapításának és felerősödésének hasonló mintázata bármely hullámközegben megfigyelhető. Thomas Young angol fizikus a fénysugarak interferenciáját mutatta be a több mint 200 évvel ezelőtt végzett kettős réses kísérlet korai változatában. Az eredmény meggyőzte őt és sok más tudóst arról, hogy a fény valójában egy hullám.

A kettős réses kísérlet során megfigyelt interferencia elsősorban attól függ, hogy a fényhullámok milyen úton haladnak át a résen, majd terjednek – ez a hullámok diffrakciónak nevezett tulajdonsága. Így a résekből kiinduló sugarak átfedik egymást, és elnyelik egymást, mielőtt a hátsó képernyőt érintenék, akárcsak a hullámok a vízen. A képernyő bizonyos pontjain a két résből kiáramló fényhullámok olyan fázisba esnek, ahol csúcsok és mélyedések váltakoznak – vagy azért, mert azonos távolságot tettek meg a képernyőig, vagy azért, mert a megtett távolság különbsége egy csúcsaik közötti távolság többszöröse. Ebben az esetben a hullámok legmagasabb és legalacsonyabb pontja még magasabb és alacsonyabb pontokat alkot. Ezt a jelenséget konstruktív interferenciának nevezik. Amikor a hullámok rétegzettek, nagy intenzitású fény keletkezik, és ezért egy világos csík jelenik meg a képernyőn. Más pontokon azonban a két rés fénye kiesik a fázisból, és az egyik hullám legmagasabb pontja találkozik a másik hullám legalacsonyabb pontjával. Ezeken a pontokon a hullámok semlegesítik egymást, ami egy sötét csík kialakulásához vezet a képernyőn - destruktív interferencia. E két véglet között a kombináció sem nem teljesen azonos, sem nem fázison kívüli, és marad némi fény. Így, amit a képernyőn látunk, az nem a világos és sötét peremek pontos sorozata, hanem az intenzitás zökkenőmentes változása az interferenciaminta maximális és minimális pontja között. Ez a szabályos hullámszerű sima intenzitásváltozás a hullámjelenségek kulcsmutatója. Van egy példa a hanghullámokra: a zenész hangszer hangolása közben az ütemeket hallgatja, amelyeket akkor kap, ha az egyik hang nagyon közel van a másikhoz, így a zenész füléhez vezető úton néha fázisba vagy kiesik. fázisú. Kombinációik variációja közös hangzást eredményez, melynek hangereje időszakosan növekszik és csökken. A hangintenzitás sima változása két különálló hullám közötti interferencia miatt következik be. Megjegyzendő, hogy ezek az ütemek olyan jelenségek, amelyek a klasszikus fizika törvényeinek engedelmeskednek, és nem igényelnek kvantumértelmezést.

A kettős réses kísérletben a kulcstényező az, hogy az első képernyőt érő fénysugárnak monokrómnak kell lennie (azonos hullámhosszúságúnak). A normál izzóból származó fehér fény viszont különböző hullámhosszokból (a szivárvány összes színéből) épül fel, így a hullámok véletlenszerűen érik majd a képernyőt. Ebben az esetben, bár a hullámok csúcsai és mélységei kölcsönhatásba lépnek egymással, a kapott mintázat annyira összetett és elmosódott lesz, hogy az egyes sávok megkülönböztethetetlenek lesznek. Hasonlóképpen, bár könnyű interferenciamintázatot szerezni két kő tóba dobásával, a tóba zuhanó hatalmas vízesés annyi hullámot kelt, hogy nem lehet koherens interferenciamintát látni.

Most, a kétrés kísérlet második szakaszában nem fényt, hanem a képernyőn repülő golyókat fogunk használni. A lényeg az, hogy a terjedő hullámok helyett szilárd részecskéket használunk. Természetesen minden golyónak át kell jutnia az egyik vagy a másik nyíláson, de nem mindkettőn egyszerre. Miután a szükséges számú golyó áthaladt a réseken, a hátsó képernyőn a két résnek megfelelő két golyósort fogunk látni (4.3. ábra).

Rizs. 4.3. Kettős réses kísérlet, 2. szakasz. A fényhullámok viselkedésével ellentétben a réseken átrepülő golyók áramlása részecskék viselkedését mutatja. Minden golyónak, amely a hátsó képernyőt éri, át kell haladnia az egyik vagy a másik nyíláson, de nem mindkettőn (természetesen feltételezve, hogy a képernyő közepe elég vastag ahhoz, hogy megállítsa azokat a golyókat, amelyek nem találják el a nyílásokat). A többsávos interferenciával ellentétben a hátsó képernyőn látható minta golyók csoportját mutatja két keskeny sáv körül, amelyek megfelelnek az egyes réseknek.

Természetesen nem hullámokkal van dolgunk. Mindegyik golyó különálló részecske, és nem lép kölcsönhatásba a másikkal, így nem figyelhető meg interferencia.

És most a harmadik szakasz: kvantum „trükk”. A kísérletet megismételjük atomok felhasználásával golyók helyett. A forrásból kiinduló atomnyaláb két keskeny réssel rendelkező képernyőre repül. Az atomok becsapódásának rögzítésére a második képernyőn fotolumineszcens bevonat található, amelyen egy apró fényes pont látható azon a helyen, ahol az atom ütközik.

Ha a józan ész mikroszkopikus szinten érvényesülne, az atomok apró golyókként viselkednének. Először csak a bal oldali rés kinyitásával végezzük el a kísérletet, és a nyitott rés mögött egy fénypontos csíkot fogunk látni a képernyőn. Bizonyos számú pont egyenetlenül helyezkedik el a képernyőn: ez azt jelezheti, hogy egyes atomok kilökődnek a szélekről, megváltoztatják pályájukat, és nem haladnak át szigorúan a résen. Ezután kinyitjuk a jobb oldali nyílást, és megvárjuk, amíg fényes pontok jelennek meg a hátsó képernyőn.

Ha arra kérnék, hogy jósolja meg a fényes foltok eloszlását, és semmit sem tudna a kvantummechanikáról, akkor természetesen azt sejtené, hogy az a golyókísérletben kapott mintára fog hasonlítani. Nevezetesen: minden rés mögött pontcsík képződik, azaz két különböző világító terület jelenik meg a képernyőn, amelyek középen világosabbak, a szélek felé pedig fokozatosan halványodnak, ahogy az atomok becsapódása egyre ritkább. Arra is számíthatunk, hogy a két fényes csík közötti középső rész sötét lesz, mivel ez a képernyő azon részének felel meg, amely az atomok számára áthatolhatatlan, függetlenül attól, hogy melyik résbe esnek.

Ez azonban nem felel meg annak, amit megfigyelünk. Éppen ellenkezőleg, nagyon tiszta képet látunk a világos és sötét csíkok interferenciájáról, pontosan ugyanúgy, mint a fénnyel végzett kísérletben. Akár hiszi, akár nem, a képernyő legfényesebb része a közepén található: egy olyan terület, ahová sok atomnak nem szabad leesnie (4.4. ábra).

Rizs. 4.4. Kísérlet két réssel, 3. szakasz. Amikor a golyókat a rések előtt elhelyezkedő forrásból kibocsátott atomokra cseréljük (természetesen minden szakaszban a megfelelő szélességet és a rések közötti távolságot választjuk), ismét hullámszerű interferenciát figyelünk meg. minta. Annak ellenére, hogy minden egyes atom, amely egy bizonyos ponton eléri a hátsó képernyőt, úgy viselkedik, mint egy részecske, sávokká egyesülnek, ahogy a fénynél láttuk. Miért haladnak át az atomok egyszerre két résen, enélkül nem látnánk több interferenciaperemet?

Valójában a rések közötti megfelelő távolság és a két képernyő közötti megfelelő távolság mellett azt láthatjuk, hogy a hátsó képernyő világos területe (ahová az atomok egy résnyitással mehetnének) most két nyitott résnél sötét ( nem mennek oda atomok). Hogyan akadályozhatja meg egy második rés megnyitása, amely több atomot enged át, hogy az atomok eltalálják a képernyő bizonyos részeit?

Lássuk, meg tudjuk-e magyarázni, mi történik közönséges logikával, anélkül, hogy egyelőre kvantummechanikához folyamodnánk. Tegyük fel a következőket: bár minden atom egy mikroszkopikus méretű részecske (végül is minden atom egy helyen kerül a képernyőre), hatalmas számú atom ütközik és kölcsönhatásba lép egymással különleges, összehangolt módon, képet alkot láthatóság interferencia. Tudjuk azonban, hogy a vízhullámok valójában sok vízmolekulából állnak, amelyek külön-külön nem hullámok. Vízmolekulák billióinak összehangolt mozgása, és nem mindegyik molekula külön-külön, hullámszerű tulajdonságokat mutat. Talán egy atomfegyver koordinált atomáramot bocsát ki, mint egy hullámgép egy úszómedencében.

A konzisztens atomok elméletének tesztelésére megismételjük a kísérletet, de most atomokat küldünk egyenként. Bekapcsoljuk az atomágyút, és megvárjuk, amíg egy fényfolt megjelenik a hátsó képernyőn, mielőtt másodszor is bekapcsolnánk, és így tovább Elsőre úgy tűnhet, hogy a józan ész még mindig érvényesül: minden egyes, a réseken áthaladó atom távozik csak egy lokalizált fényfolt a képernyő meghatározott részén. Úgy tűnik, hogy az atomok részecskékként, például golyókként lőttek ki a fegyverből, és részecskékként érik a képernyőt. Természetesen a pisztoly és a képernyő közötti térben is részecskékként kell viselkedniük. De - figyelem - fókusz: egy kvantumnyúl jelenik meg a kalapból. Ahogy a foltok, amelyek mindegyike egyetlen golyó atom becsapódását regisztrálja, fokozatosan beborítják a képernyőt, és világos és sötét interferenciaperemek jelennek meg rajta. Mivel az atomok most egyenként haladnak át a célponton, nem mondhatjuk, hogy sok atom kollektív viselkedése ütközik és kölcsönhatásba lép egymással. Nem olyan, mint a víz hullámai. Ismét ellentmondásos eredménnyel állunk szemben: a hátsó képernyőn vannak olyan helyek, ahová az atomok csak akkor tudnak eljutni, ha az egyik rés nyitva van, és amelyek teljesen sötétek maradnak, ha a második rés is nyitva van, annak ellenére, hogy a nyílás további pluszt biztosít. Az atomok elérési útvonala a képernyőn. Úgy tűnik, valahogy egy atom áthalad egy résen tudja, függetlenül attól, hogy a második nyílás nyitva van-e vagy sem, és ennek megfelelően jár el!

Így minden atom apró részecskeként bocsát ki a fegyvert, és a második képernyőre is részecskeként esik, ahogy azt az apró fényvillanás látja, amikor eltalál. De a köztük lévő térben, amikor a két rés találkozik, valami varázslatos dolog történik, például egy hullám terjedése, amely két részre szakad, amelyek mindegyike áthalad a résen, és kölcsönhatásba lép a másikkal a képernyő másik oldalán. Hogyan másként egy atom tud mindkét rés állapotáról (nyitott vagy zárt) egyszerre?

A fogást szem előtt tartva nézzük meg, hogy be tudjuk-e csapni az atomokat, ha a rések mögött várjuk őket. Ezt úgy lehet megtenni, hogy mondjuk egy érzékelőt helyezünk a bal oldali rés mögé, hogy érzékeljen egy "jelet" (talán egy hangjelet), amikor az atom áthalad azon a résen a képernyő felé vezető úton. A jobb oldali rés mögé egy második érzékelőt is elhelyezhetünk, hogy rögzítsük a résen áthaladó atomokat. Most, ha egy atom áthalad az egyik vagy a másik résen, sípoló hangot fogunk hallani a jobb vagy a bal érzékelőtől. De ha az atom valahogy legyőzi golyó alakú természetét, és átjut mindkét résen, akkor mindkét detektor egyszerre sípol.

Most azt látjuk, hogy minden alkalommal, amikor az atomágyút bekapcsolják, amihez egy fényes pont megjelenése társul a képernyőn, a bal vagy a jobb szenzor jelet bocsát ki, de nem mindkettő egyszerre. Kétségtelen, hogy most végre bizonyítékunk van arra, hogy az atomok kölcsönhatása akkor lép fel, amikor az atomok áthaladnak az egyik vagy a másik résen, de nem a kettőn egyszerre. Legyünk azonban türelmesek, és továbbra is figyeljük a képernyőt. Ahogy az egyes fényvillanások egyesülnek, azt látjuk, hogy az általuk létrehozott mintázat már nem hasonlít interferenciamintára. Ehelyett két fényes csík jelenik meg, amelyek sok atom felhalmozódását jelzik minden rés mögött, akárcsak a golyókkal végzett kísérletben. Most, a kísérlet során az atomok közönséges részecskékként viselkednek. Mintha minden atom hullámként viselkedne, amikor résekbe ütközik, ha nem figyelik, különben csak egy apró részecske marad.

Lehetséges, hogy az érzékelő jelenléte okozza a problémát azáltal, hogy befolyásolja a réseken áthaladó atomok furcsa viselkedését. Teszteljük ezt úgy, hogy eltávolítunk egy érzékelőt, mondjuk a jobb oldalon. Ettől az áramkörtől még kaphatunk némi információt, mert amikor a pisztolyt bekapcsoljuk és a jel és a fényes folt megjelenik a képernyőn, tudni fogjuk, hogy az atom biztosan áthaladt a bal résen. Amikor bekapcsoljuk a fegyvert, és nem hallunk jelet, de egy fényes pontot látunk a képernyőn, tudjuk, hogy az atomok biztosan a jobb oldali résen keresztül jutottak be a képernyőbe. Most már tudjuk, hogy az atomok áthaladtak-e a bal vagy a jobb résen, de a pályájuk csak az egyik oldalon „zavart”. Ha maga az érzékelő okoz problémát, akkor azt várnánk, hogy a hangjelzést okozó atomok golyóként, míg azok az atomok, amelyek nem okozták a hangjelzést (és áthaladtak a jobb résen), hullámként viselkedjenek. Valószínűleg egy golyóminta (a bal résen áthaladó atomokból) és egy interferenciamintázat (a jobb résen áthaladó atomokból) keverékét fogjuk látni a képernyőn.

De ez nem igaz. Ebben a helyzetben ismét nem észlelünk interferenciamintát. Az egyes rések mögötti képernyő golyó alakú atomok mintázatát képezi, amelyek részecskékként viselkednek. Úgy tűnik, hogy az atom helyét rögzítő érzékelő jelenléte elegendő ahhoz, hogy tönkretegye annak hullámviselkedését, még akkor is, ha az érzékelő bizonyos távolságra van a másik résen áthaladó atom pályájától!

Talán egy érzékelő fizikai jelenléte a bal oldali rés közelében elegendő ahhoz, hogy befolyásolja az atomok áthaladását rajta, mint ahogy egy nagy szikla megváltoztatja a víz irányát egy rohanó patakban. Kísérletet végezhetünk a bal oldali érzékelő kikapcsolásával. Még mindig a helyén van, így nagyjából ugyanannyira számíthatunk a hatásaira. Most azonban a kikapcsolt érzékelő jelenlétében ismét interferenciaminta jelenik meg a képernyőn! A kísérletben részt vevő összes atom ismét hullámként kezdett viselkedni. Miért viselkednek az atomok részecskékként, amikor az érzékelő be van kapcsolva a bal oldali rés közelében, de amint az érzékelőt kikapcsolják, hullámként viselkednek? Mint egy részecske, amely áthalad a jobb oldali résen, tudja arról, hogy a bal oldalon található érzékelő be van-e kapcsolva vagy ki van kapcsolva?

Ebben a szakaszban el kell felejtened a logikát és a józan észt. Most az apró tárgyak, például atomok, elektronok vagy fotonok hullám-részecske kettősségével foglalkozunk, amelyek hullámként viselkednek, ha nem tudjuk, melyik résen haladnak át, és részecskeként viselkednek, ha megfigyeljük őket. Ez a kvantumobjektumok megfigyelésének vagy mérésének folyamata, amelyről az 1. fejezetben beszéltünk, figyelembe véve az egyes fotonok kvantum-összefonódásának bemutatását Alain Aspe kísérletében. Emlékezhet, Aspe csapata úgy mérte meg a fotonokat, hogy polarizált lencsén engedte át őket, ami megszüntette összegabalyodott állapotukat – ami hullámtermészetük jellemzője –, amitől választ egy klasszikus polarizációs irány. Hasonlóképpen, a kettős réses kísérletben részt vevő atomok mérése arra kényszeríti őket, hogy válasszanak a jobb vagy a bal résen való áthaladás között.

A kvantummechanika figyelemre méltó magyarázatot ad erre a jelenségre; de az egyetlen magyarázata annak, amit látunk – a tapasztalat eredménye – nem az, hogy mi történik, ha nem figyelünk. Mivel azonban csak látni és mérni tudunk, valószínűleg nincs értelme többet kérni a kvantumobjektumoktól. Hogyan értékelhetjük egy olyan jelenségről szóló jelentés érvényességét vagy helyességét, amelyet soha, még elméletben sem tudunk ellenőrizni? Amint ezt kipróbáljuk, megváltoztatjuk az eredményt.

A kettős réses kísérlet kvantumértelmezése az, hogy egy adott időpillanatban minden atomot le kell írni egy olyan számkészlettel, amely meghatározza annak valószínű helyét a térben. Ez az a mutató, amelyet a 2. fejezetben leírtunk hullámfüggvény. Akkoriban a hullámfüggvényről beszéltünk a városon átterjedő bűnözési hullám nyomon követésének példáján, a különböző területeken elkövetett rablások valószínűségének meghatározásával. Hasonlóképpen, az atom két résen való áthaladását leíró hullámfüggvény nyomon követi annak valószínűségét, hogy egy adott időpontban a berendezés bármely pontján megtaláljuk. De amint azt korábban tisztáztuk, ha a rablónak egy helyen kell lennie térben és időben, és a „bűnözés valószínűsége” hullám csak azt írja le, hogy nem ismerjük a tényleges helyét, akkor éppen ellenkezőleg, az atom hullámfüggvénye a kettős réses kísérlet valós, vagyis egy atom fizikai helyzetét írja le, aminek a valóságban nincs konkrét helyzete, hacsak meg nem mérjük. Az atom tehát egyszerre minden helyen megtalálható - persze változó valószínűséggel, így aligha találunk atomot olyan helyeken, ahol kicsi a hullámfüggvénye.

Így ahelyett, hogy egyes atomok vesznek részt egy kettős réses kísérletben, a forrásból a hátsó képernyőre átmenő hullámfüggvényt kell figyelembe vennünk. A réseken való áthaladáskor a hullámfüggvény két részre oszlik, és mindegyik fele áthalad az egyik résen. Jegyezzük meg, hogy amit itt leírunk, az az a mód, ahogyan az absztrakt matematikai a szám idővel változik. Felesleges kérdezni, hogy mit valójában azért történik, mert meg kell néznünk, hogy ellenőrizzük. De amint megpróbáljuk ezt megtenni, eltorzítjuk az eredményt.

Felmerül a kérdés: mikor „változik vissza” a hullámfüggvény lokalizált atommá? Válaszoljunk: amikor megpróbáljuk meghatározni a helyzetét. Ilyen mérésnél a kvantumhullámfüggvény szétesik egyetlen valószínűségig. Ez megint nem olyan, mint egy rabló helyzete, amikor a hollétének bizonytalansága hirtelen egyetlen pontra csökken, majd letartóztatja a rendőrség. Ebben az esetben az elhatározás befolyásolta a rabló tartózkodási helyére vonatkozó információinkat. Egyszerre mindig csak egy helyen volt. De az atom esetében ez nem így van; dimenzió hiányában az atom valóban mindenhol ott van.

Így a kvantumhullámfüggvény kiszámítja annak valószínűségét, hogy egy adott helyen atomot találunk, ahol meg tudjuk mérni a helyzetét egy adott időpontban. Ahol a hullámfüggvény nagy a mérés előtt, ott az atom detektálásának ebből eredő valószínűsége nagy lesz. De ahol kicsi, talán a destruktív hulláminterferencia miatt, ott az atom megtalálásának valószínűsége, ha meg akarjuk nézni, ennek megfelelően kicsi.

Elképzelhetünk egy hullámfüggvényt, amely egyetlen atomot ír le, miután az elhagyta a forrást. Úgy viselkedik, mint egy hullám, amely a rések felé hajlik, így az első képernyő szintjén az amplitúdója egyenlő lesz az egyes résekben. Ha egy szondát helyezünk el az egyik résnél, akkor egyenlő valószínűséggel kell számolnunk: az esetek 50%-ában a bal résben, 50%-ban a jobb résben fogunk atomot észlelni. De - és ez fontos - ha az atomot nem az első képernyő szintjén próbáljuk érzékelni, akkor a hullámfüggvény roncsolás nélkül áthatol mindkét résen. Így kvantumfogalmakban olyan hullámfüggvényről beszélhetünk, amely egyetlen atomot ír le szuperpozíciójában: annak egyidejűleg két helyen való létezését, ami megfelel annak, hogy hullámfüggvénye egyszerre halad át a jobb és a bal résen.

A rések másik oldalán a hullámfüggvény egyes részei, egy a bal és egy a jobb oldali résből, újra terjed, és olyan matematikai hullámok halmazát alkotják, amelyek átfednek egymás amplitúdóját egyes pontokon fokozva, másutt kioltva. . Az együttes hatás az, hogy a hullámfüggvénynek más hullámjelenségekre, például fényre jellemző mintázata van. De ne feledjük, hogy ez az összetett hullámfüggvény még mindig egyetlen atomra jellemző.

A második képernyőn, ahol az atom helyzetének végső mérése történik, a hullámfüggvény lehetővé teszi, hogy kiszámítsuk a részecske megtalálásának valószínűségét a képernyő különböző pontjain. A képernyőn látható fényes csíkok azoknak a helyeknek felelnek meg, ahol a két résből kiinduló hullámfüggvény két része erősíti egymást, a sötét csíkok pedig azoknak a pozícióknak felelnek meg, ahol kioltják egymást, és nulla a valószínűsége annak, hogy atomot találunk. azokat a pozíciókat.

Fontos megjegyezni, hogy ez az erősítési és semlegesítési folyamat - kvantuminterferencia - még egyetlen részecske részvétele esetén is megtörténik. Ne feledje, hogy a képernyőn vannak olyan területek, amelyeket az egyidejűleg kibocsátott atomok csak egy nyitott résnél érhetnek el, és amelyek mindkét rés nyitva maradása esetén elérhetetlenek maradnak. Ennek csak akkor van értelme, ha az atomágyúból kilőtt minden egyes atomot egy hullámfüggvény ír le, amely egyszerre mindkét utat megteheti. A konstruktív és destruktív interferencia tartományokkal kombinált hullámfüggvény kiküszöböli annak lehetőségét, hogy egy atomot észleljünk a képernyő bizonyos pozícióiban, amelyek csak egy nyitott réssel érhetők el.

Minden kvantumrészecske, legyen az elemi részecskék vagy atomok vagy ezekből a részecskékből álló molekulák, hullámszerű viselkedést mutatnak, így kölcsönhatásba léphetnek egymással. Ilyen kvantumállapotban bármilyen furcsa kvantumviselkedést mutathatnak, például egyszerre két helyen vannak, egyszerre mindkét irányba forognak, áthatolhatatlan akadályokon haladnak át, vagy furcsán szövevényes kapcsolatokat alakíthatnak ki távoli partnerekkel.

Ebben az esetben miért nem lehetünk egyszerre két helyen te vagy én, akik kvantumrészecskékből állunk? Ez nagyon hasznos lenne rohanó időnkben. A válasz erre nagyon egyszerű: minél nagyobb és masszívabb a test, annál kisebb hullámtulajdonságokkal rendelkezik, és egy olyan test tömege és mérete, mint egy ember vagy valami más, amely elég nagy és szabad szemmel is látható, ilyen kicsi lesz. hullámhossz, hogy nincs mérhető hatása. De ha mélyebbre nézel, azt gondolhatod, hogy tested minden atomját megfigyelik vagy mérik a körülötte lévő többi atom, így minden minimális kvantumtulajdonság nagyon gyorsan megsemmisül.

Akkor mit értünk „mérés” alatt? Az 1. fejezetben már röviden válaszoltunk erre a kérdésre, de most részletesebben meg kell vizsgálnunk, mivel ez kulcsfontosságú pont abban a kérdésben, hogy a kvantumbiológiában mekkora a kvantumkomponens.

Fotók nyílt forrásból

Lord Kelvin brit fizikus 1900-ban azzal érvelt, hogy a tudomány minden fontos felfedezése már megtörtént. A kvantummechanika azonban igazi forradalmat idézett elő, és ma már egyetlen fizikus sem meri azt állítani, hogy az Univerzumról szerzett fizikai ismereteink a kiteljesedéshez közelednek. Éppen ellenkezőleg, minden új felfedezés automatikusan újabb és újabb kérdéseket vet fel...

Hogyan mérhető a kvantumhullámfüggvények összeomlása?

A fotonok, elektronok és más elemi részecskék birodalmában a kvantummechanika a törvény. A részecskék hullámként viselkednek, amelyek hatalmas területen terjednek. Minden részecskét egy "hullámfüggvény" ír le, amely megmondja annak lehetséges helyét, sebességét és egyéb tulajdonságait. Valójában egy részecskének minden tulajdonsága értéktartománya van, amíg kísérletileg meg nem mérik. Az észlelés pillanatában a hullámfunkciója „megsemmisül”. De miért és hogyan omlik össze a hullámfüggvényük az általunk észlelt valóságban? A mérési problémaként ismert kérdés ezoterikusnak tűnhet, de az is kérdéses, hogy mi a valóságunk, és hogy egyáltalán létezik-e.
Miért van több anyag, mint antianyag?
Az igazi kérdés az, hogy miért létezik egyáltalán valami. Egyes tudósok szerint az ősrobbanás után az anyag és az antianyag szimmetrikus volt. Ha ez így lenne, akkor a világ, amit látunk, azonnal megsemmisülne – az elektronok antielektronokkal, a protonok antiprotonokkal, és így tovább, csak egy tengernyi „meztelen” foton maradna hátra.
Az idő nyila
Az idő halad előre, mert az univerzum egy tulajdonságát, amit "entrópiának" neveznek, nagyjából a növekvő rendezetlenség szintjeként határozzák meg, és ezért nincs mód az entrópia növekedésének visszafordítására, ha az már bekövetkezett. De a fő kérdés a következő: miért volt alacsony szinten az entrópia az Univerzum születésének pillanatában, amikor egy viszonylag kis tér tele volt kolosszális energiával?
Mi a sötét anyag?
Az Univerzumban az anyag több mint 80%-a nem bocsát ki és nem nyel el fényt. Mivel a sötét anyag nem látható, létezését, valamint tulajdonságait a látható anyagra gyakorolt ​​gravitációs hatása, a sugárzás és az Univerzum szerkezetének változása miatt rögzítik. Ez a sötét anyag áthatja a galaxis peremét, és "gyengén kölcsönhatásban lévő hatalmas részecskékből áll".
Mi a sötét energia?
Úgy gondolják, hogy a sötét energia egy kozmológiai állandó, magának a térnek a velejárója, amelynek negatív nyomása van. Minél jobban tágul a tér, annál több tér keletkezik, és vele együtt a sötét energia. A megfigyelések alapján a tudósok tudják, hogy az összes sötét energia tömegének az Univerzum teljes tartalmának körülbelül 70%-a kell legyen. A tudósok azonban még mindig nem találják a módját, hogyan keressenek.

annotáció

A fizika legnagyobb, sőt legfontosabb rejtélye Young interferenciakísérlete (kétrés kísérlet). Lehetetlen megmagyarázni a foton korpuszkulárisságának feltételezésével. De a foton hullám tulajdonságainak felismerése sem teszi lehetővé az interferenciamintázat következetes magyarázatát. Egyrészt a foton mindig hagy egy pontot a fényképező lemezen, ami összeegyeztethetetlen a foton hullámtermészetével. Másrészt a foton valójában egyszerre halad át mindkét résen, ami összeegyeztethetetlen a korpuszkuláris természetével.
Számos fizikai és tudományos rejtély rendkívül összetett mind leírásában, mind kísérletei felállításában, de lehetővé teszik olyan magyarázatok adását, amelyek nem mondanak ellent a logikának és a józan észnek. Éppen ellenkezőleg, egy interferenciával végzett kísérletet rendkívül egyszerű végrehajtani, és lehetetlen megmagyarázni. Az installáció minden műszaki jellemzője egyszerűen leírható (forrás, interferencia rácsok, a jelenség alapelvei, sőt az eredmények matematikai számításai is), de a józan ész szempontjából logikus magyarázat, amely mindegyiket egyetlen egésszé kapcsolja össze. lehetetlen.

Ez az érthetetlen beavatkozás

Az interferencia vagy kettős rés kísérlet Feynman szerint „a kvantummechanika szívét tartalmazza”, és a kvantum-szuperpozíció alapvető elve. Az interferencia elvét, mint a lineáris hullámoptika alapelvét, először Thomas Young fogalmazta meg egyértelműen 1801-ben. Az „interferencia” kifejezést is ő alkotta meg először 1803-ban. A tudós világosan elmagyarázza az általa felfedezett elvet (korunkban „Young kettős réses kísérleteként” ismert kísérlet, http://elkin52.narod.ru/biograf/jng6.htm):

„Ahhoz, hogy két fényrész szuperpozíciójának hatását megkapjuk, az szükséges, hogy ugyanabból a forrásból származzanak, és ugyanabba a pontba érkezzenek különböző utakon, de egymáshoz közeli irányban. Diffrakció, visszaverődés, fénytörés vagy ezek kombinációja használható a sugár egyik vagy mindkét részének eltérítésére, de a legegyszerűbb módszer az, ha egyenletes fénysugár [az első résből] (egy szín vagy hullámhossz) esik a sugárra. egy képernyő, amelyben két nagyon kicsi lyuk vagy rés található, amelyek divergencia központoknak tekinthetők, amelyekből a fény a diffrakció miatt minden irányba szétszóródik.”

A modern kísérleti elrendezés egy fotonforrásból, egy két résből álló membránból és egy képernyőből áll, amelyen az interferenciamintázat figyelhető meg. Miután áthaladt a sorompó mögötti képernyő résein, váltakozó világos és sötét csíkokból álló interferenciaminta jelenik meg:

1. ábra Zavarperemek

A fotonok külön pontokon érik a képernyőt, de az interferencia peremek jelenléte a képernyőn azt mutatja, hogy vannak olyan pontok, ahol a fotonok nem érnek. Legyen p ezen pontok egyike. A foton azonban beírhatja a p értéket, ha bármelyik rés zárva van. Az ilyen destruktív interferencia, amelyben az alternatív lehetőségek néha kimerülhetnek, a kvantummechanika egyik legrejtélyesebb tulajdonsága.

A kettős réses kísérlet érdekes tulajdonsága, hogy az interferenciamintázat egyszerre egy részecskét „összeállíthat” – vagyis a forrás intenzitásának olyan alacsonyra állításával, hogy minden részecske egyedül „repül” a beállításban, és csak beleavatkozni önmagába. Ilyenkor kísértésbe esünk, hogy megkérdezzük magunktól, hogy a két rés közül melyiken repül át „valójában” a részecske. Vegye figyelembe, hogy két különböző részecske nem hoz létre interferenciamintát.

Mi az interferencia jelensége magyarázatának rejtélye, következetlensége és abszurditása? Feltűnően különböznek sok más elmélet és jelenség paradox természetétől, mint például a speciális relativitáselmélet, a kvantumteleportáció, az összegabalyodott kvantumrészecskék paradoxona és mások. Első pillantásra minden egyszerű és nyilvánvaló az interferencia magyarázatában. Tekintsük ezeket a magyarázatokat, amelyek két csoportra oszthatók: a hullám magyarázataira és a korpuszkuláris (kvantum) szempontú magyarázatokra.

Mielőtt elkezdenénk az elemzést, megjegyezzük, hogy az interferencia jelenségének paradoxonossága, következetlensége és abszurditása alatt e kvantummechanikai jelenség leírásának a formális logikával és a józan ésszel való összeegyeztethetetlenségét értjük. E fogalmak jelentését, ahogy itt alkalmazzuk, a cikk mellékletei vázolják.

Interferencia hullámszempontból

A kettős réses kísérlet eredményeinek legáltalánosabb és legtökéletesebb magyarázata hullám szempontból:
„Ha a hullámok által megtett távolságok különbsége egyenlő a páratlan számú hullámhossz felével, akkor az egyik hullám által okozott rezgések abban a pillanatban érik el a csúcsot, amikor a másik hullám rezgései elérik a mélyedést, és ennek következtében az egyik hullám csökkenti a másik által keltett zavart, és akár teljesen megtérül. Ezt szemlélteti a 2. ábra, amely egy olyan kísérlet diagramját mutatja be két réssel, amelyben az A forrásból származó hullámok csak akkor érhetik el a képernyőn a BC vonalat, ha áthaladnak a forrás között elhelyezkedő akadályban lévő két H1 vagy H2 rés egyikén. és a képernyőt. A BC egyenes X pontjában az úthosszak különbsége AH1X - AH2X; ha egyenlő egész számú hullámhosszal, akkor az X pontban a zavar nagy lesz; ha egyenlő a páratlan számú hullámhossz felével, akkor az X pontban a zavar kicsi lesz. Az ábra a hullám intenzitásának függését mutatja a BC egyenes egy pontjának helyzetétől, ami az ezekben a pontokban fellépő rezgések amplitúdóival függ össze.”

2. ábra. Interferenciaminta hullámszempontból

Úgy tűnik, hogy az interferencia jelenségének hullámszempontú leírása semmiképpen sem mond ellent sem a logikának, sem a józan észnek. A fotont azonban általában kvantumnak tekintik részecske . Ha hullámtulajdonságokat mutat, akkor ennek ellenére önmagának kell maradnia - egy fotonnak. Ellenkező esetben a jelenség egyetlen hullámos figyelembevételével a fotont, mint a fizikai valóság elemét, elpusztítjuk. Ezzel a megfontolással kiderül, hogy a foton mint olyan... nem létezik! A foton nem csak hullámtulajdonságokat mutat – itt egy olyan hullámról van szó, amelyben nincs semmi részecske. Ellenkező esetben a hullám hasadásának pillanatában el kell ismernünk, hogy egy fél részecske halad át mindegyik résen - egy foton, egy fél foton. De akkor lehetõvé kell tenni olyan kísérleteket, amelyek képesek „elkapni” ezeket a félfotonokat. Azonban még soha senkinek nem sikerült ugyanazokat a félfotonokat regisztrálnia.

Tehát az interferencia jelenségének hullámértelmezése kizárja azt az elképzelést, hogy a foton részecske. Következésképpen a fotont részecskének tekinteni ebben az esetben abszurd, logikátlan és összeegyeztethetetlen a józan ésszel. Logikusan azt kell feltételeznünk, hogy a foton részecskeként repül ki az A pontból. Akadályhoz közeledve hirtelen fordul a hullámba! Hullámként halad át a repedéseken, két folyamra oszlik. Különben hinnünk kell ebben egész egy részecske egyszerre halad át két résen, hiszen feltételezzük elválasztás Nincs jogunk két részecske (fél). Aztán megint két félhullám csatlakozni egy egész részecskévé. Ahol nem létezik nincs mód az egyik félhullám elnyomására. Úgy tűnik, van kettő félhullámok, de egyiket sem sikerült elpusztítania senkinek. Minden egyes alkalommal, amikor ezek a félhullámok rögzítik, kiderül, hogy az egész foton. Egy rész kivétel nélkül mindig egésszé válik. Vagyis a fotonnak mint hullámnak lehetővé kell tennie annak lehetőségét, hogy minden félhullámot pontosan egy foton feleként „elkapjunk”. De ez nem történik meg. Fél foton halad át minden résen, de csak egy teljes foton kerül rögzítésre. A fél egyenlő egy egésszel? Nem tűnik sokkal logikusabbnak és ésszerűbbnek a fotonrészecske egyidejű, egyszerre két helyen való jelenlétének értelmezése.

Emlékezzünk vissza, hogy a hullámfolyamat matematikai leírása kivétel nélkül teljes mértékben összhangban van az összes kettős réses interferencia kísérlet eredményeivel.

Interferencia korpuszkuláris szempontból

Korpuszkuláris szempontból kényelmes bonyolult függvényekkel magyarázni a foton „feleinek” mozgását. Ezek a függvények a kvantummechanika alapkoncepciójából erednek - a kvantumrészecske (itt - foton) állapotvektorából, hullámfüggvényéből, amelyeknek más neve is van - valószínűségi amplitúdó. Annak a valószínűsége, hogy egy foton eltalál egy adott pontot a képernyőn (fotólemezen) kettős réses kísérlet esetén egyenlő a teljes hullámfüggvény négyzetével a foton két lehetséges pályájára, állapotok szuperpozícióját képezve.

„Ha két w és z komplex szám w+z összegének négyzetét képezzük, általában nem csak e számok modulusainak négyzetösszegét kapjuk; Van egy további "javító kifejezés":

|w + z| 2 = |w| 2 + |z| 2 + 2|w||z|cosQ,

ahol Q az a szög, amelyet a z és w pontok irányai az origótól az Argand-síkon alkotnak...

A 2|w||z|cosQ korrekciós tag a kvantummechanikai alternatívák közötti kvantuminterferenciát írja le.

Matematikailag minden logikus és világos: az összetett kifejezések számítási szabályai szerint pont ilyen hullámos interferenciagörbét kapunk. Itt nincs szükség értelmezésekre vagy magyarázatokra – csak rutin matematikai számításokra. De ha megpróbálod elképzelni, hogy a foton (vagy elektron) merre, milyen pályákat mozgott a képernyővel való találkozás előtt, akkor az adott leírás nem engedi látni:

„Ezért az az állítás, hogy az elektronok áthaladnak az 1. vagy a 2. résen, téves. Egyszerre haladnak át mindkét résen. És egy nagyon egyszerű matematikai berendezés, amely leír egy ilyen folyamatot, teljesen pontosan megegyezik a kísérlettel.

Valójában az összetett függvényeket tartalmazó matematikai kifejezések egyszerűek és intuitívak. Ezek azonban csak a folyamat külső megnyilvánulását írják le, csak annak eredményét, anélkül, hogy bármit is mondanának arról, hogy fizikai értelemben mi történik. A józan ész szempontjából elképzelhetetlen, hogy egy részecske, még ha nincsenek is tényleges pontdimenziói, de mégis egy folytonos térfogatra korlátozódik, hogyan halad át egyszerre két egymással nem összefüggő lyukon. Például Sudbury a jelenséget elemezve ezt írja:

„Maga az interferenciamintázat közvetve is jelzi a vizsgált részecskék korpuszkuláris viselkedését, hiszen valójában nem folytonos, hanem úgy áll össze, mint a tévéképernyőn látható kép, sok pontból, amelyet az egyes elektronok villanásai hoznak létre. De ezt az interferenciamintát teljesen lehetetlen megmagyarázni azon a feltételezésen alapulva, hogy az elektronok mindegyike áthaladt az egyik vagy a másik résen.

Ugyanerre a következtetésre jut arról, hogy egy részecske nem haladhat át egyszerre két résen: „a részecskének vagy az egyiken, vagy a másikon át kell haladnia”, megjegyezve annak látszólagos korpuszkuláris szerkezetét. Egy részecske nem tud áthatolni egyszerre két résen, de nem tud áthatolni sem az egyiken, sem a másikon. Kétségtelen, hogy az elektron egy részecske, amint azt a képernyőn megjelenő villanások pontjai is bizonyítják. És ez a részecske kétségtelenül nem tudott csak az egyik résen áthaladni. Ebben az esetben az elektron kétségtelenül nem volt két részre osztva, két félre, amelyeknek ebben az esetben fele az elektron tömegének és fele töltésének kellett volna lennie. Ilyen félelektronokat még soha senki nem figyelt meg. Ez azt jelenti, hogy az elektron két részre osztott, kettéágazódva nem tudott egyszerre áthaladni mindkét résen. Ő, ahogy magyarázzák nekünk, miközben egész maradt, egyidejűleg két különböző résen halad át. Nem osztódik két részre, hanem egyszerre halad át két résen. Ez az abszurditása a két résnél kialakuló interferencia fizikai folyamatának kvantummechanikai (korpuszkuláris) leírásának. Emlékezzünk arra, hogy matematikailag ez a folyamat hibátlanul leírható. De a fizikai folyamat teljesen logikátlan, ellentétben a józan ésszel. Ráadásul szokás szerint a józan ész a hibás, ami nem tudja felfogni, hogy van: nem kettéosztották, hanem két helyre került.

Másrészt az ellenkezőjét sem lehet feltételezni: hogy egy foton (vagy elektron), valamilyen máig ismeretlen módon, mégis áthalad a két rés egyikén. Akkor miért ér el a részecske bizonyos pontokat, és miért kerül el másokat? Mintha tudna a tiltott területekről. Ez különösen akkor egyértelmű, ha a részecske alacsony fluxusintenzitás mellett interferál önmagával. Ebben az esetben továbbra is kénytelenek vagyunk figyelembe venni a mindkét résen áthaladó részecske egyidejűségét. Ellenkező esetben a részecskét szinte intelligens lénynek kellene tekintenünk, aki rendelkezik az előrelátás képességével. A tranzitdetektorokkal vagy kizárásos detektorokkal végzett kísérletek (az a tény, hogy egy részecskét nem észlelnek az egyik rés közelében, azt jelenti, hogy áthaladt a másikon) nem tisztázza a képet. Nincs ésszerű magyarázat arra, hogyan és miért reagál egy ép részecske egy második rés jelenlétére, amelyen nem ment át. Ha egy részecskét nem észlel az egyik rés közelében, az azt jelenti, hogy áthaladt a másikon. De ebben az esetben könnyen lehet, hogy a képernyő „tiltott” pontjára kerül, vagyis olyan pontra, ahová soha nem jutott volna el, ha a második rés nyitva van. Bár úgy tűnik, semmi sem akadályozhatja meg ezeket a fel nem őrzött részecskéket abban, hogy „fél” interferenciamintát hozzanak létre. Ez azonban nem történik meg: ha az egyik rés be van zárva, úgy tűnik, hogy a részecskék „engedélyt” kapnak, hogy bejussanak a képernyő „tiltott” területeire. Ha mindkét rés nyitva van, akkor az állítólag az egyik résen áthaladó részecske megfosztja attól a lehetőségtől, hogy belépjen ezekbe a „tiltott” tartományokba. Úgy tűnik, érzi, ahogy a második rés „néz” rá, és megtiltja a mozgást bizonyos irányba.

Felismerték, hogy interferencia csak az ebben a kísérletben megjelenő hullámokkal vagy részecskékkel végzett kísérleteknél fordul elő csak hullám tulajdonságai. Valamilyen mágikus módon a részecske kiteszi a hullám- vagy korpuszkuláris oldalait a kísérletezőnek, valójában menet közben, repülés közben megváltoztatja azokat. Ha közvetlenül az egyik rés után elnyelőt helyezünk el, akkor a részecske, mint egy hullám, mindkét résen áthalad az abszorberig, majd részecskeként folytatja repülését. Ebben az esetben az abszorber, mint kiderült, nem veszi el a részecske energiájának még egy kis részét sem. Bár nyilvánvaló, hogy a részecske legalább egy részének még át kellett jutnia a blokkolt résen.

Amint látjuk, a fizikai folyamat megfontolt magyarázatai közül egyik sem állja meg a kritikát logikai szempontból és a józan ész álláspontjából. A jelenleg uralkodó hullám-részecske dualizmus még csak részben sem teszi lehetővé az interferencia beszámítását. A foton nem egyszerűen csak korpuszkuláris vagy hullámtulajdonságokat mutat. Megnyilvánítja őket egyidejűleg, és ezek a megnyilvánulások kölcsönösek kizárni egymás. Az egyik félhullám „kioltása” azonnal részecskévé alakítja a fotont, amely „nem tudja, hogyan” hozzon létre interferenciamintát. Ellenkezőleg, két nyitott rés a fotont két félhullámmá alakítja, amelyek aztán kombinálva egy teljes fotonná alakulnak, ismét bemutatva a hullám újraképződésének titokzatos eljárását.

A kettős réses kísérlethez hasonló kísérletek

A kettős réses kísérletben kissé nehéz kísérletileg szabályozni a részecskék „feleinek” pályáját, mivel a rések viszonylag közel vannak egymáshoz. Ugyanakkor van egy hasonló, de inkább vizuális kísérlet, amely lehetővé teszi egy foton „leválasztását” két jól elkülöníthető pálya mentén. Ebben az esetben még egyértelműbbé válik annak az elképzelésnek az abszurditása, hogy egy foton egyszerre halad át két csatornán, amelyek között méteres vagy több távolság is lehet. Egy ilyen kísérlet Mach-Zehnder interferométerrel végezhető el. Az ebben az esetben megfigyelt hatások hasonlóak a kettős réses kísérletben megfigyelt hatásokhoz. Belinsky így írja le őket:

„Vegyük fontolóra a Mach-Zehnder interferométerrel végzett kísérletet (3. ábra). Alkalmazzunk rá egyfoton állapotot, és először távolítsuk el a fotodetektorok előtt található második sugárosztót. A detektorok egyetlen fotoszámlálást rögzítenek az egyik vagy a másik csatornában, és soha nem mindkettőt egyszerre, mivel egyetlen foton van a bemeneten.

3. ábra. A Mach-Zehnder interferométer vázlata.

Tegyük vissza a sugárosztót. A detektoroknál a fotoszámlálások valószínűségét az 1 + - cos(Ф1 - Ф2) függvény írja le, ahol Ф1 és Ф2 az interferométer karjainak fáziskésései. Az előjel attól függ, hogy melyik detektort használják a rögzítéshez. Ez a harmonikus függvény nem ábrázolható két Р(Ф1) + Р(Ф2) valószínűség összegeként. Következésképpen az első sugárosztó után a foton az interferométer mindkét karjában egyidejűleg van jelen, bár a kísérlet első felvonásában csak az egyik karban. Ezt a szokatlan térbeli viselkedést kvantum-nonlokalitásnak nevezik. Nem magyarázható meg a józan ész szokásos térbeli intuícióiból, amelyek általában a makrokozmoszban jelen vannak.

Ha a bemeneten mindkét út szabad egy foton számára, akkor a kimeneten a foton úgy viselkedik, mint egy kettős réses kísérletben: a második tükör csak egy úton tud áthaladni - megzavarva önmagának egy bizonyos „másolatát”, amely egy másik úton érkezett. más út. Ha a második út zárva van, akkor a foton egyedül érkezik, és bármely irányban elhalad a második tükör mellett.

A kettős réses kísérlet hasonló változatát írja le Penrose (a leírás nagyon beszédes, ezért szinte teljes egészében bemutatjuk):

„A réseknek nem kell közel lenniük egymáshoz ahhoz, hogy egy foton egyidejűleg áthaladjon rajtuk. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehet egy kvantumrészecske „két helyen egyszerre”, függetlenül attól, hogy milyen távol vannak ezek a helyek, vegyen fontolóra egy kísérleti elrendezést, amely kissé eltér a kettős réses kísérlettől. Mint korábban, most is van egy lámpánk, amely monokromatikus fényt bocsát ki, egy-egy fotont; de ahelyett, hogy két résen átengednénk a fényt, inkább a sugár felé 45 fokos szögben megdöntött félezüstös tükörről verjük vissza.

4. ábra. A hullámfüggvény két csúcsa nem tekinthető egyszerűen a fotonok egyik vagy másik helyen történő lokalizációjának valószínűségi súlyának. A foton által megtett két útvonal interferálhat egymással.

A tükörrel való találkozás után a foton hullámfüggvénye két részre oszlik, amelyek közül az egyik oldalra verődik, a másik pedig ugyanabban az irányban tovább terjed, amelyben a foton eredetileg mozgott. A két résből kilépő fotonhoz hasonlóan a hullámfüggvénynek is két csúcsa van, de most ezeket a csúcsokat nagyobb távolság választja el egymástól - az egyik csúcs a visszavert fotont, a másik a tükörön áthaladó fotont írja le. Ráadásul idővel a csúcsok közötti távolság egyre nagyobb és korlátlanul növekszik. Képzeljük el, hogy a hullámfüggvény két része az űrbe kerül, és várunk egy egész évet. Ekkor a fotonhullámfüggvény két csúcsa fényévnyire lesz egymástól. Valahogy a foton egyszerre két helyen köt ki, amelyeket egy fényév távolság választ el egymástól!

Van valami ok arra, hogy egy ilyen képet komolyan vegyünk? Nem tekinthetjük-e a fotont egyszerűen olyan objektumnak, amelynek 50% valószínűsége van az egyik helyen, és 50% a valószínűsége annak, hogy egy másik helyen van! Nem, ez lehetetlen! Nem számít, mennyi ideje van mozgásban egy foton, mindig fennáll annak a lehetősége, hogy a fotonnyaláb két része az ellenkező irányba visszaverődik és találkozik, ami olyan interferenciahatásokat eredményez, amelyek nem származhatnak a két alternatíva valószínűségi súlyaiból. . Tegyük fel, hogy a fotonsugár minden része útjában találkozik egy teljesen ezüstözött tükrövel, amely olyan szögben van megdöntve, hogy a két rész összeér, és a két rész találkozási pontján egy másik félig ezüstözött tükröt helyezünk el ugyanolyan szögben, mint az első tükör. Legyen két fotocella azokon az egyeneseken, amelyek mentén a fotonsugár egyes részei terjednek (4. ábra). Mit fogunk találni? Ha igaz lenne, hogy egy foton 50%-os valószínűséggel követi az egyik útvonalat, és 50%-os valószínűséggel követi a másikat, akkor azt találnánk, hogy mindkét detektor 50%-os valószínűséggel észlelné a fotont. A valóságban azonban valami egészen más történik. Ha két alternatív útvonal pontosan egyenlő hosszúságú, akkor 100%-os valószínűséggel a foton eltalálja az A detektort, amely azon az egyenesen van, amely mentén a foton kezdetben elmozdult, és 0 valószínűséggel bármely másik B detektorba. , a foton biztosan eltalálja a detektort A!

Természetesen ilyen kísérletet még soha nem végeztek fényév nagyságrendű távolságokon, de a fent közölt eredmény nem kétséges (a hagyományos kvantummechanikához ragaszkodó fizikusok részéről!) Valójában végeztek ilyen kísérleteket. nagyságrendileg több méteres távolságon keresztül, és az eredmények teljes összhangban voltak a kvantummechanikai előrejelzésekkel. Mit lehet most elmondani a foton létezésének valóságáról az első és az utolsó félig visszaverő tükör találkozása között? Az elkerülhetetlen következtetés az, hogy a fotonnak bizonyos értelemben valójában mindkét utat egyszerre kell bejárnia! Ha ugyanis egy elnyelő ernyőt helyeznénk el a két útvonal bármelyikének útjába, akkor egyforma lenne annak a valószínűsége, hogy egy foton eltalálja az A vagy B detektort! De ha mindkét útvonal nyitva van (mindkettő azonos hosszúságú), akkor a foton csak A-t érheti el. Az egyik útvonal blokkolása lehetővé teszi, hogy a foton elérje a B detektort! Ha mindkét útvonal nyitva van, akkor a foton valahogy „tudja”, hogy nem léphet be a B detektorba, és ezért kénytelen egyszerre két útvonalat követni.

Vegye figyelembe azt is, hogy az „egyszerre két helyen van” állítás nem jellemzi teljes mértékben a foton állapotát: meg kell különböztetnünk például a Ф t + Ф b állapotot a Ф t - Ф b állapottól (vagy, például a Ф t + iФ b állapotból, ahol Ф t és Ф b most a foton helyzetére utal mind a két útvonalon (rendre „átvitt” és „visszavert”!) Ez a fajta különbség, hogy meghatározza, hogy a foton megbízhatóan eléri-e az A detektort, miután átjutott a második félig ezüstözött tükörbe, vagy biztosan eléri a B detektort (vagy köztes valószínűséggel találja el az A és B detektort).

A kvantumvalóságnak ez a rejtélyes sajátossága, hogy komolyan kell gondolnunk, hogy egy részecske többféleképpen "két helyen lehet egyszerre", abból a tényből fakad, hogy a kvantumállapotokat komplex értékű súlyokkal kell összeadnunk, hogy más kvantumállapotokat kapjunk.

És megint, ahogy látjuk, a matematikai formalizmusnak valahogy meg kellene győznie bennünket arról, hogy a részecske egyszerre két helyen van. Ez egy részecske, nem hullám. A jelenséget leíró matematikai egyenletekre biztosan nem lehet panasz. A józan ész szemszögéből való értelmezésük azonban komoly nehézségeket okoz, és megköveteli a „mágia” és a „csoda” fogalmak használatát.

Az interferencia megsértésének okai - a részecske útvonalának ismerete

A kvantumrészecske interferencia jelenségének vizsgálatakor az egyik fő kérdés az interferenciasértés okának kérdése. Az, hogy az interferenciamintázat hogyan és mikor jelenik meg, általában világos. De ilyen ismert körülmények között előfordul, hogy az interferencia-minta nem jelenik meg. Valami megakadályozza, hogy ez megtörténjen. Zarechny ezt a kérdést így fogalmazza meg:

„Mi szükséges az állapotok szuperpozíciójának, interferenciamintázatának megfigyeléséhez? A válasz erre a kérdésre teljesen egyértelmű: a szuperpozíció megfigyeléséhez nem kell rögzítenünk az objektum állapotát. Ha megnézünk egy elektront, azt találjuk, hogy az egyik vagy a másik lyukon áthalad. Ennek a két állapotnak nincs szuperpozíciója! És ha nem nézzük, akkor egyszerre két résen halad át, és ezek eloszlása ​​a képernyőn teljesen más, mint amikor rájuk nézünk!”

Vagyis az interferencia megsértése a részecske pályájával kapcsolatos ismeretek jelenléte miatt következik be. Ha ismerjük a részecske pályáját, akkor az interferenciamintázat nem jön létre. Bacciagaluppi hasonló következtetést von le: vannak olyan helyzetek, amikor az interferencia kifejezést nem tartják be, pl. amelyben a klasszikus valószínűségszámítási képlet érvényes. Ez akkor fordul elő, amikor a résekben észlelünk, függetlenül attól, hogy úgy gondoljuk, hogy a mérés a hullámfüggvény „valódi” összeomlásának köszönhető (azaz csak egy az összetevőket mérik, és nyomot hagynak a képernyőn). Ráadásul nemcsak a rendszer állapotáról szerzett ismeretek sértik az interferenciát, hanem még lehetséges ennek a tudásnak a megszerzésének lehetősége a túlnyomó ok a beavatkozásra. Nem maga a tudás, hanem az alapvető lehetőség derítse ki a jövőben, hogy a részecske állapota elpusztítja az interferenciát. Ezt nagyon világosan bizonyítja Cipenyuk tapasztalata:

„A rubídium atomok nyalábját befogják egy magneto-optikai csapdába, lézerrel lehűtik, majd az atomfelhő kiszabadul, és gravitációs tér hatására esik. Leesésük során az atomok egymás után áthaladnak két álló fényhullámon, periodikus potenciált képezve, amelyen a részecskék szétszóródnak. Valójában az atomok diffrakciója egy szinuszos diffrakciós rácson megy végbe, hasonlóan ahhoz, ahogyan a fény diffrakciója egy folyadék ultrahanghullámán történik. Az A beeső sugár (sebessége a kölcsönhatási tartományban mindössze 2 m/s) először két B és C sugárnyalábra oszlik, majd a második fényrácsba ütközik, ami után két sugárpár (D, E) és (F, G) alakulnak ki. Ez a két pár egymást átfedő távoli sugárnyaláb szabványos interferenciamintázatot alkot, amely megfelel az atomok két rés általi diffrakciójának, amelyek a nyalábok keresztirányú divergenciájával egyenlő d távolságban helyezkednek el az első rács után.

A kísérlet során az atomokat „megjelölték”, és ebből a jelből kellett meghatározni, hogy melyik pályán mozognak az interferenciamintázat kialakulása előtt:

„A fényrács után a mikrohullámú térrel való másodlagos kölcsönhatás eredményeként ez a fáziseltolódás a |2> és |3> elektronállapotú atomok B és C nyalábjaiban eltérő populációvá alakul át: a B nyalábban túlnyomórészt atomok |2> állapotban, nyalábban C - atomok |3> állapotban. Ezen a meglehetősen kifinomult módon az atomnyalábokról kiderült, hogy meg vannak jelölve, amelyek aztán interferenciát szenvedtek.

Később megtudhatja, hogy az atom melyik pályát követte, ha meghatározza elektronállapotát. Még egyszer hangsúlyozni kell, hogy ez a jelölési eljárás során gyakorlatilag nem következik be változás az atom lendületében.

Amikor bekapcsoljuk a mikrohullámú sugárzást, amely az atomokat zavaró nyalábokban jelöli meg, az interferenciamintázat teljesen eltűnik. Hangsúlyozni kell, hogy nem olvasták el az információkat, nem határozták meg a belső elektronikus állapotot. Az atomok röppályájával kapcsolatos információkat csak feljegyezték, az atomok emlékeztek arra, hogy merre haladtak.

Így azt látjuk, hogy a zavaró részecskék pályájának meghatározására már a potenciális lehetőség megteremtése is tönkreteszi az interferenciamintázatot. Egy részecske nemcsak hogy nem mutathat egyszerre hullám- és részecsketulajdonságokat, de ezek a tulajdonságok még csak részben sem kompatibilisek: vagy teljesen hullámként viselkedik, vagy teljesen úgy, mint egy lokalizált részecske. Ha egy részecskét testként „hangolunk”, valamilyen testtestre jellemző állapotba állítva, akkor a hullámtulajdonságainak azonosítására irányuló kísérlet során minden beállításunk megsemmisül.

Vegye figyelembe, hogy az interferencia eme csodálatos tulajdonsága nem mond ellent sem a logikának, sem a józan észnek.

Kvantocentrikus fizika és Wheeler

Korunk kvantummechanikai rendszerének középpontjában egy kvantum található, körülötte pedig, mint Ptolemaiosz geocentrikus rendszerében, a kvantumcsillagok és a kvantumnap keringenek. A talán legegyszerűbb kvantummechanikai kísérlet leírása azt mutatja, hogy a kvantumelmélet matematikája kifogástalan, bár a folyamat tényleges fizikájának leírása teljesen hiányzik belőle.

Az elmélet főszereplője a kvantum csak a képletekben, kvantum, részecske tulajdonságaival rendelkezik. A kísérletekben egyáltalán nem úgy viselkedik, mint egy részecske. Bemutatja, hogy képes két részre szakadni. Folyamatosan különféle misztikus tulajdonságokkal ruházzák fel, sőt mesefigurákhoz hasonlítják: „Ebben az időben a foton „nagy füstös sárkány”, amely csak a farkánál éles (az 1-es nyalábosztónál) és a hegyénél, ahol megharapja a detektort” (Wheeler). Ezeket a részeket, Wheeler „nagy tűzokádó sárkányának” feleit soha senki nem fedezte fel, és azok a tulajdonságok, amelyekkel ezeknek a kvantumfeleknek rendelkezniük kell, ellentétesek magával a kvantumelmélettel.

Másrészt a kvantumok nem úgy viselkednek, mint a hullámok. Igen, úgy tűnik, „tudják, hogyan kell darabokra esni”. De mindig, amikor megpróbálják regisztrálni őket, azonnal összeolvadnak egy hullámban, amely hirtelen egy ponttá összeomlott részecske. Ezen túlmenően, kudarcot vallanak azok a kísérletek, amelyek arra kényszerítenek egy részecskét, hogy csak hullámokat vagy csak korpuszkuláris tulajdonságokat mutassanak. A rejtélyes interferencia-kísérletek érdekes változata Wheeler késleltetett választási kísérletei:

5. ábra. Alapvető halasztott kiválasztás

1. Egy fotont (vagy bármely más kvantumrészecskét) két rés felé küldünk.

2. Egy foton áthalad a réseken anélkül, hogy észrevennék (detektálná), az egyik résen vagy a másik résen, vagy mindkét résen (logikailag ezek mind lehetséges alternatívák). Az interferencia eléréséhez feltételezzük, hogy "valaminek" át kell haladnia mindkét résen; A részecskék eloszlásának meghatározásához feltételezzük, hogy a fotonnak át kell haladnia az egyik vagy a másik résen. Bármilyen döntést is hoz a foton, abban a pillanatban „kell” megtennie, amikor áthalad a réseken.

3. A réseken való áthaladás után a foton a hátsó fal felé mozog. Két különböző módszerünk van a foton észlelésére a "hátsó falon".

4. Először is van egy képernyőnk (vagy bármilyen más érzékelő rendszerünk, amely képes megkülönböztetni a beeső foton vízszintes koordinátáját, de nem képes meghatározni, hogy a foton honnan származik). A képernyő a sraffozott nyílnak megfelelően eltávolítható. Gyorsan, nagyon gyorsan eltávolítható, Azt követően, ahogy a foton áthalad a két résen, de még mielőtt a foton elérné a képernyő síkját. Más szóval, a képernyőt el lehet távolítani addig az idő alatt, amíg a foton a 3. tartományban mozog. Vagy hagyhatjuk a képernyőt a helyén. Ez a kísérletező választása, aki elhalasztották egészen addig a pillanatig, amikor a foton áthaladt a réseken (2), függetlenül attól, hogyan tette.

5. Ha a képernyőt eltávolítjuk, két távcsövet találunk. A teleszkópok nagyon jól fókuszálnak arra, hogy a térnek csak egy-egy rés körüli szűk területeit figyeljék meg. A bal oldali távcső a bal oldali rést figyeli; a jobb oldali távcső a jobb oldali rést figyeli. (A távcső mechanizmusa/metaforája azt a bizonyosságot ad nekünk, hogy ha távcsőn keresztül nézünk, csak akkor látunk villanást, ha a foton szükségszerűen - teljesen vagy legalább részben - áthaladt azon a résen, amelyre a távcső fókuszál; különben nem fogjuk látni a fotont. Így egy fotont távcsővel megfigyelve információt kapunk a bejövő fotonról.)

Most képzeljük el, hogy a foton a 3. tartomány felé tart. A foton már áthaladt a réseken. Továbbra is van lehetőségünk választani például, hogy a képernyőt a helyén hagyjuk; ebben az esetben nem fogjuk tudni, melyik résen haladt át a foton. Vagy dönthetünk úgy, hogy eltávolítjuk a képernyőt. Ha eltávolítjuk a képernyőt, akkor azt várjuk, hogy az egyik vagy a másik teleszkópban (vagy mindkettőben, bár ez soha nem történik meg) egy villanást látunk minden elküldött fotonnál. Miért? Mert a fotonnak át kell haladnia az egyik, a másik vagy mindkét résen. Ez minden lehetőséget kimerít. A teleszkópok megfigyelésekor a következők egyikét kell látnunk:

egy villanás a bal oldali teleszkópnál, és nincs villanás a jobb oldalon, ami azt jelzi, hogy a foton áthaladt a bal résen; vagy

villanás a jobb oldali távcsőnél, és nincs villanás a bal távcsőnél, ami azt jelzi, hogy a foton áthaladt a jobb oldali résen; vagy

gyenge félintenzitású villanások mindkét teleszkópból, jelezve, hogy a foton áthaladt mindkét résen.

Ezek mind lehetőségek.

A kvantummechanika megmondja, hogy mit fogunk látni a képernyőn: egy 4r görbét, ami pontosan olyan, mint a réseinkből érkező két szimmetrikus hullám interferenciája. A kvantummechanika azt is megmondja, hogy mit kapunk a fotonok teleszkópokkal történő megfigyelésekor: az 5r görbét, amely pontosan megfelel azoknak a pontrészecskéknek, amelyek áthaladtak egy adott résen, és beléptek a megfelelő távcsőbe.

Figyeljünk arra, hogy kísérleti összeállításunk konfigurációiban milyen különbségek vannak, amelyeket választásunk határoz meg. Ha úgy döntünk, hogy a képernyőt a helyén hagyjuk, akkor a résekből származó két hipotetikus hullám interferenciájának megfelelő részecskeeloszlást kapunk. Azt mondhatnánk (bár nagy vonakodással), hogy a foton mindkét résen át a forrástól a képernyő felé mozdult.

Másrészt, ha úgy döntünk, hogy eltávolítjuk az ernyőt, akkor a két maximummal összhangban álló részecskeeloszlást kapunk, amelyet akkor kapunk, ha megfigyeljük egy pontszerű részecske mozgását a forrásból az egyik résen keresztül a megfelelő teleszkópig. A részecske "megjelenik" (látjuk a vakut) az egyik vagy a másik teleszkópnál, de a képernyő iránya mentén nem.

Összefoglalva, úgy döntünk - hogy megtudjuk, melyik résen haladt át a részecske - úgy, hogy a távcsöveket választjuk vagy sem. Ezt a választást egy pillanatra elhalasztjuk Azt követően ahogy a részecske "áthaladt az egyik résen vagy mindkét résen", úgymond. Paradoxnak tűnik, hogy későn döntöttünk arról, hogy valóban megkapjuk-e ezt az információt vagy sem határozza meg magát, hogy úgy mondjam, hogy a részecske áthaladt-e az egyik résen vagy mindkettőn. Ha inkább így gondolkodik (és nem javaslom), a részecske utólagos hullámviselkedést mutat, ha úgy dönt, hogy képernyőt használ; a részecske is utólagos viselkedést mutat, mint egy pontobjektum, ha úgy dönt, hogy teleszkópokat használ. Így a részecske regisztrálásának késleltetett megválasztása meghatározza, hogy a részecske valójában hogyan viselkedett a regisztráció előtt.
(Ross Rhodes, Wheeler klasszikus kísérlete a késleltetett választásról, fordította P. V. Kurakin,
http://quantum3000.narod.ru/translations/dc_wheeler.htm).

A kvantummodell következetlensége megköveteli, hogy feltegyük a kérdést: „Talán még mindig forog?” Megfelel-e a hullám-részecske kettősség modellje a valóságnak? Úgy tűnik, hogy a kvantum nem részecske és nem hullám.

Miért pattog a labda?

De miért tekinthetjük az interferencia misztériumát a fizika fő rejtélyének? Sok rejtély van a fizikában, más tudományokban és az életben. Mi olyan különleges az interferenciában? A minket körülvevő világban sok olyan jelenség van, amely csak első pillantásra tűnik érthetőnek és megmagyarázhatónak. De amint lépésről lépésre végignézi ezeket a magyarázatokat, minden zavarossá válik, és zsákutca jön. Miben rosszabbak a beavatkozásnál, kevésbé titokzatosak? Gondoljunk például egy ilyen gyakori jelenségre, amellyel mindenki találkozott már az életben: az aszfaltra dobott gumilabda pattogását. Miért ugrik, amikor nekiütközik az aszfaltnak?

Nyilvánvaló, hogy az aszfaltnak ütközéskor a labda deformálódik és összenyomódik. Ezzel egyidejűleg megnő a gáznyomás benne. Annak érdekében, hogy kiegyenesedjen és helyreállítsa az alakját, a labda az aszfaltot nyomja, és lefelé lökődik róla. Úgy tűnik, ez minden, az ugrás oka tisztázódott. Nézzük azonban meg közelebbről. Az egyszerűség kedvéért figyelmen kívül hagyjuk a gázsűrítés folyamatait és a labda alakjának helyreállítását. Azonnal folytassuk a folyamatot a labda és az aszfalt érintkezési pontján.

A labda azért pattan le az aszfaltról, mert két pont (az aszfalton és a labdán) kölcsönhatásba lép egymással: mindegyik nyomja a másikat, löki el onnan. Úgy tűnik, itt is minden egyszerű. De tegyük fel magunknak a kérdést: mi ez a nyomás? Hogy néz ki?

Nézzük meg az anyag molekuláris szerkezetét. A gumimolekula, amelyből a labda készül, és az aszfaltban lévő kőmolekula egymásnak nyomják egymást, vagyis hajlamosak eltolni egymást. És megint minden egyszerűnek tűnik, de felvetődik egy új kérdés: mi az oka, forrása az „erő” jelenségnek, amely a molekulák mindegyikét eltávolodásra, elmozdulási kényszer átélésére kényszeríti a „riválistól”? Nyilvánvalóan a gumimolekulák atomjait taszítják a követ alkotó atomok. Még rövidebben és egyszerűbben fogalmazva: egyik atom taszítja a másikat. És még egyszer: miért?

Térjünk át az anyag atomi szerkezetére. Az atomok atommagokból és elektronhéjakból állnak. Ismét egyszerűsítsük a problémát, és tegyük fel (elég ésszerűen), hogy az atomokat vagy a héjuk, vagy az atommagjuk taszítja, amire válaszul kapunk egy új kérdést: pontosan hogyan történik ez a taszítás? Például az elektronhéjak azonos elektromos töltéseik miatt taszíthatnak, mivel a hasonló töltések taszítanak. És még egyszer: miért? Hogyan történik ez?

Mitől taszítja például egymást két elektron? Egyre beljebb kell mennünk az anyag szerkezetében. De már itt eléggé észrevehető, hogy bármelyik találmányunk, bármilyen új magyarázat fizikai a taszítási mechanizmus a horizonthoz hasonlóan egyre tovább csúszik, bár a formális, matematikai leírás mindig pontos és világos lesz. És ugyanakkor mindig látni fogjuk, hogy a hiány fizikai a taszítási mechanizmus leírásai nem teszik abszurd, illogikus vagy a józan ész ellentétessé ezt a mechanizmust vagy köztes modelljét. Bizonyos mértékig leegyszerűsítettek, hiányosak, de logikus, ésszerű, értelmes. Ez a különbség az interferencia magyarázata és sok más jelenség magyarázata között: az interferencia leírása a maga lényegében logikátlan, természetellenes és ellentétes a józan ésszel.

Kvantumösszefonódás, nonlokalitás, Einstein lokális realizmusa

Vegyünk egy másik jelenséget, amelyet a józan ész ellentétesnek tartanak. Ez a természet egyik legcsodálatosabb titka - a kvantumösszefonódás (összefonódási hatás, összefonódás, el nem különíthetőség, nem lokalitás). A jelenség lényege, hogy két kvantumrészecske kölcsönhatás és az azt követő szétválás (a tér különböző régióiba való szétszóródása) után megőrzi egymással valamilyen információs kapcsolat látszatát. Ennek leghíresebb példája az úgynevezett EPR paradoxon. 1935-ben Einstein, Podolsky és Rosen kifejezte azt az elképzelést, hogy például két kötött foton az elválás (szétrepülés) folyamatában megőrzi az információs kapcsolat ilyen látszatát. Ebben az esetben az egyik foton kvantumállapota, például a polarizáció vagy a spin, azonnal átvihető egy másik fotonra, amely ebben az esetben az első analógja lesz, és fordítva. Egy részecskén végzett méréssel ugyanabban a pillanatban azonnal meghatározzuk egy másik részecske állapotát, függetlenül attól, hogy ezek a részecskék milyen messze vannak egymástól. Így a részecskék közötti kapcsolat alapvetően nem lokális. Doronin orosz fizikus a következőképpen fogalmazza meg a kvantummechanika nonlokalitásának lényegét:

„Ami a QM-ben nem lokalitást illeti, úgy gondolom, hogy a tudományos közösségben konszenzus alakult ki ebben a kérdésben. Általában a QM nonlokalitása alatt azt értjük, hogy a QM ellentmond a lokális realizmus elvének (ezt gyakran nevezik Einstein lokalitási elvének is).

A lokális realizmus elve kimondja, hogy ha két A és B rendszert térben elválasztjuk, akkor a fizikai valóság teljes leírása mellett az A rendszeren végrehajtott cselekvések nem változtathatják meg a B rendszer tulajdonságait.

Vegyük észre, hogy a lokális realizmus fő álláspontja a fenti értelmezésben a térben elkülönült rendszerek egymásra gyakorolt ​​kölcsönös hatásának tagadása. Einstein lokális realizmusának fő álláspontja két, egymástól térben elkülönülő rendszer egymásra hatásának lehetetlensége. A leírt EPR paradoxonban Einstein a részecskék állapotának közvetett függőségét feltételezte. Ez a függőség a részecskék összefonódásának pillanatában jön létre, és a kísérlet végéig megmarad. Vagyis a részecskék véletlenszerű állapotai az elválásuk pillanatában keletkeznek. Ezt követően elmentik az összefonódás során kapott állapotokat, és ezeket az állapotokat a fizikai valóság bizonyos elemeiben „tárolják”, „további paraméterekkel” írják le, mivel a különálló rendszereken végzett mérések nem befolyásolhatják egymást:

„De egy feltételezés számomra vitathatatlannak tűnik. Az S 2 rendszer valós állapota (állapota) nem függ attól, hogy mi történik a tőle térben elválasztott S 1 rendszerrel.”

"...mivel a mérés során ez a két rendszer már nem kölcsönhatásban van, így az első rendszeren végzett műveletek eredményeként a második rendszerben nem történhet valódi változás."

A valóságban azonban az egymástól távoli rendszerekben végzett mérések valamilyen módon befolyásolják egymást. Alain Aspect a következőképpen írta le ezt a hatást:

«i. A v 1 foton, amelynek a mérése előtt nem volt egyértelműen meghatározott polarizációja, a mérése során kapott eredményhez tartozó polarizációt kapja: ez nem meglepő.

ii. Amikor v 1-en mérést végzünk, a v 2 foton, amely a mérés előtt nem rendelkezett specifikus polarizációval, a v 1 -en végzett mérés eredményével párhuzamos polarizációs állapotba kerül. Ez nagyon meglepő, mert ez a változás a v 2 leírásában azonnal bekövetkezik, függetlenül attól, hogy az első mérés időpontjában mekkora volt a v 1 és v 2 közötti távolság.

Ez a kép ütközik a relativitáselmélettel. Einstein szerint a téridő adott tartományában egy eseményt nem befolyásolhat egy olyan téridőben bekövetkező esemény, amelyet egy térszerű intervallum választ el. Nem bölcs dolog jobb képeket találni, hogy „megértsük” az EPR összefüggéseket. Ez az a kép, amelyet most nézünk.”

Ezt a képet „nem lokalitásnak” nevezik. A nem lokalitás egyrészt valamilyen kapcsolatot tükröz az elválasztott részecskék között, másrészt ez a kapcsolat nem relativisztikus, vagyis bár a mérések egymásra gyakorolt ​​hatása szuperluminális sebességgel terjed, nincs információátadás. mint olyan a részecskék között. Kiderült, hogy a mérések hatással vannak egymásra, de ez a hatás nem közvetítődik. Ennek alapján az a következtetés vonható le, hogy a nonlokalitás lényegében nem mond ellent a speciális relativitáselméletnek. Az EPR részecskék között továbbított (feltételes) információt néha „kvantuminformációnak” is nevezik.

Tehát a nem lokalitás az Einstein-féle lokális realizmussal (lokalizmussal) szemben álló jelenség. Ugyanakkor a lokális realizmus számára csak egy dolog természetes: az egyik részecskéből a másikba továbbított hagyományos (relativisztikus) információ hiánya. Ellenkező esetben „kísérteties távoli cselekvésről” kellene beszélnünk, ahogy Einstein nevezte. Nézzük meg közelebbről ezt a „távolsági cselekvést”, mennyiben mond ellent a speciális relativitáselméletnek és magának a lokális realizmusnak. Először is, a „szellemszerű cselekvés távolról” nem rosszabb, mint a kvantummechanikai „nem lokalitás”. Valójában sem létezik, sem nem létezik relativisztikus (alfénysebesség) információ átvitele. Ezért a „távoli cselekvés” nem mond ellent a speciális relativitáselméletnek, akárcsak a „nem lokalitás”. Másodszor, a „távoli cselekvés” illuzivitása semmivel sem illuzórikusabb, mint a kvantum „nem lokalitás”. Valóban, mi a nem lokalitás lényege? A valóság egy másik szintjére való „kilépésben”? De ez nem mond semmit, csak különféle misztikus és isteni kiterjesztett értelmezéseket tesz lehetővé. Nincs semmi ésszerű vagy részletes fizikai A nem lokalitásnak nincs leírása (pláne magyarázata). Csak egy egyszerű ténymegállapítás létezik: két dimenzió korrelált. Mit mondhatunk Einstein „kísérteties távoli akciójáról”? Igen, pontosan ugyanaz: nincs ésszerű és részletes fizikai leírás, ugyanaz az egyszerű ténymegállapítás: két dimenzió csatlakoztatva együtt. A kérdés tulajdonképpen a terminológián múlik: nem lokalitás vagy kísérteties cselekvés távolról. És annak felismerése, hogy sem az egyik, sem a másik formailag nem mond ellent a speciális relativitáselméletnek. De ez nem jelent mást, mint magának a lokális realizmusnak (lokalizmusnak) a következetességét. Einstein által megfogalmazott fő megállapítása minden bizonnyal érvényben marad: relativisztikus értelemben nincs kölcsönhatás az S 2 és S 1 rendszerek között, a „szellemszerű hosszú távú cselekvés” hipotézise a legcsekélyebb ellentmondást sem vezeti be Einstein lokális rendszerébe. realizmus. Végül, maga a kísérlet, hogy a lokális realizmusban felhagyjon a „szellemszerű cselekvéssel” a lokális realizmusban, logikusan ugyanazt az attitűdöt követeli meg kvantummechanikai analógjával – a nonlokalitással – szemben. Ellenkező esetben kettős mércévé válik, a két elmélet indokolatlan kettős megközelítése („Amit Jupiternek szabad, az a bikának nem megengedett”). Nem valószínű, hogy egy ilyen megközelítés komoly megfontolást érdemelne.

Így az Einstein-féle lokális realizmus (lokalizmus) hipotézisét teljesebb formában kell megfogalmazni:

„A rendszer valós állapota S2 relativisztikus értelemben nem attól függ, hogy mit tesznek az S1 rendszerrel, amely térben el van választva tőle."

Figyelembe véve ezt az apró, de fontos módosítást, a „Bell-féle egyenlőtlenségek” (lásd alább) megsértésére való minden hivatkozás értelmetlenné válik, mint olyan érvek, amelyek megcáfolják Einstein lokális realizmusát, amely ugyanolyan sikerrel sérti ezeket, mint a kvantummechanika.

Amint látjuk, a kvantummechanikában a nonlokalitás jelenségének lényegét külső jelek írják le, de belső mechanizmusát nem magyarázzák meg, ami alapjául szolgált Einsteinnek a kvantummechanika hiányosságáról szóló megállapításához.

Az összefonódás jelenségének ugyanakkor lehet egy teljesen egyszerű magyarázata, amely nem mond ellent sem a logikának, sem a józan észnek. Mivel két kvantumrészecske úgy viselkedik, mintha „tudna” egymás állapotáról, és valamilyen megfoghatatlan információt továbbítanak egymásnak, feltételezhetjük, hogy az átvitelt valamilyen „tisztán anyagi” hordozó (nem anyag) végzi. Ennek a kérdésnek mély filozófiai háttere van, amely a valóság alapjaihoz kapcsolódik, vagyis ahhoz az elsődleges szubsztanciához, amelyből egész világunk létrejön. Valójában ezt az anyagot anyagnak kell nevezni, olyan tulajdonságokkal ruházva fel, amelyek kizárják közvetlen megfigyelését. Az egész környező világ anyagból van szőve, és csak akkor tudjuk megfigyelni, ha kölcsönhatásba lépünk ezzel az anyagból származó szövettel: anyaggal, mezőkkel. Anélkül, hogy ennek a hipotézisnek a részleteibe belemennénk, csak azt hangsúlyozzuk, hogy a szerző az anyagot és az étert azonosítja, mivel ezeket ugyanazon anyag két elnevezésének tekinti. Lehetetlen megmagyarázni a világ szerkezetét az alapvető elv - az anyag - feladásával, mivel maga az anyag diszkrétsége ellentmond a logikának és a józan észnek. Nincs ésszerű és logikus válasz arra a kérdésre: mi van az anyag diszkrétjei között, ha az anyag minden dolog alapelve. Ezért az a feltételezés, hogy az anyagnak van tulajdonsága, nyilvánult meg távoli anyagi tárgyak azonnali interakciójaként, egészen logikus és következetes. Két kvantumrészecske mélyebb szinten lép kölcsönhatásba egymással - anyagi, anyagi szinten finomabb, megfoghatatlanabb információkat közvetítenek egymásnak, amelyek nem kötődnek anyaghoz, mezőhöz, hullámhoz vagy más hordozóhoz, és amelyek regisztrálása közvetlenül alapvetően lehetetlen. A nonlokalitás (nem szétválaszthatóság) jelensége, bár a kvantumfizikában nincs kifejezett és világos fizikai leírása (magyarázata), mégis érthető és magyarázható, mint valós folyamat.

Így az összegabalyodott részecskék kölcsönhatása általában nem mond ellent sem a logikának, sem a józan észnek, és meglehetősen harmonikus, bár fantasztikus magyarázatot tesz lehetővé.

Kvantum teleportáció

Az anyag kvantumtermészetének másik érdekes és paradox megnyilvánulása a kvantumteleportáció. A tudományos-fantasztikus irodalomból átvett „teleportáció” kifejezést ma már széles körben használják a tudományos irodalomban, és első pillantásra valami valószerűtlen benyomást kelt. A kvantumteleportáció egy kvantumállapot azonnali átvitelét jelenti egyik részecskerõl a másikra, nagy távolságra. Maga a részecske teleportációja és tömegátadás azonban nem történik meg.

A kvantumteleportáció kérdését először 1993-ban vetette fel Bennett csoportja, amely az EPR paradoxont ​​felhasználva kimutatta, hogy elvileg az egymásba kapcsolódó (összegabalyodott) részecskék egyfajta információ „szállításként” szolgálhatnak. Egy harmadik - „információs” - részecske csatolásával az egyik kapcsolt részecskéhez lehetőség van annak tulajdonságait egy másikra átvinni, méghozzá anélkül, hogy ezeket a tulajdonságokat megmérnénk.

Az EPR csatorna megvalósítása kísérleti úton történt, és a gyakorlatban is bebizonyosodott az EPR elvek megvalósíthatósága két foton közötti polarizációs állapotok továbbítására optikai szálakon keresztül egy harmadikon, akár 10 kilométeres távolságban.

A kvantummechanika törvényei szerint egy fotonnak nincs pontos polarizációs értéke, amíg detektorral meg nem mérik. Így a mérés az összes lehetséges fotonpolarizáció halmazát egy véletlenszerű, de nagyon specifikus értékké alakítja. Egy összegabalyodott pár egyik fotonjának polarizációjának mérése arra a tényre vezet, hogy a második foton, akármilyen távoli is legyen, azonnal a megfelelő - rá merőleges - polarizációnak tűnik.

Ha egy idegen fotont „keverünk” a két eredeti foton egyikével, akkor egy új pár, egy új csatolt kvantumrendszer jön létre. Paramétereinek mérésével azonnal tetszés szerint továbbíthatja - teleportálhatja - nem az eredeti, hanem egy idegen foton polarizációs irányát. Elvileg szinte mindennek, ami egy pár egyik fotonjával történik, azonnal ki kell hatnia a másikra, és nagyon sajátos módon megváltoztatja annak tulajdonságait.

A mérés eredményeként az eredeti csatolt pár második fotonja is némi rögzített polarizációra tett szert: a „hírvivő foton” eredeti állapotának másolata átkerült a távoli fotonba. A legnehezebb annak bizonyítása volt, hogy a kvantumállapot valóban teleportált: ehhez pontosan tudni kellett, hogy a detektorok hogyan helyezkednek el a globális polarizáció mérésére, és gondos szinkronizálást igényeltek.

A kvantumteleportáció egyszerűsített diagramja a következőképpen képzelhető el. Alice és Bob (feltételes karakterek) egy fotont küld egy pár összegabalyodott fotonból. Alice-nek van egy részecskéje (fotonja) (számára ismeretlen) A állapotban; a párból származó foton és Alice fotonja kölcsönhatásba lép ("összegabalyodik"), Alice mérést végez, és meghatározza a két fotonból álló rendszer állapotát. Természetesen ebben az esetben Alice fotonjának A kezdeti állapota megsemmisül. Bob fotonja azonban egy összegabalyodott fotonpárból A állapotba kerül. Elvileg Bob nem is tudja, hogy teleportáció történt, ezért szükséges, hogy Alice a szokásos módon közölje vele az erről szóló információkat.

Matematikailag a kvantummechanika nyelvén ez a jelenség a következőképpen írható le. A teleportáló eszköz diagramja az ábrán látható:

6. ábra. Egy fotonállapot kvantumteleportálására szolgáló installáció vázlata

„A kezdeti állapotot a következő kifejezés határozza meg:

Itt azt feltételezzük, hogy az első két (balról jobbra haladó) qubit Alice-é, a harmadik qubit Bobé. Ezután Alice átadja a két qubitjét CNOT-kapu. Ez létrehozza az állapotot |Ф 1 >:

Alice ezután átadja az első qubitet a Hadamard-kapun. Ennek eredményeként a figyelembe vett qubitek |Ф 2 > állapota a következő lesz:

A (10.4) tagokat átcsoportosítva, megfigyelve a qubitek Alice-hez és Bobhoz való tartozásának választott sorrendjét, megkapjuk:

Ez azt mutatja, hogy ha például Alice megméri a qubit-párjainak állapotait, és 00-t kap (azaz M 1 = 0, M 2 = 0), akkor Bob qubitje |Ф> állapotban lesz, azaz pontosan abban az állapotban, amit Alice Bobnak akart adni. Általában, Alice mérésének eredményétől függően, Bob qubitjének állapotát a mérési folyamat után a négy lehetséges állapot egyike határozza meg:

Ahhoz azonban, hogy megtudja, a négy állapot közül melyikben van a qubitje, Bobnak klasszikus információt kell kapnia Alice mérésének eredményéről. Miután Bob ismeri Alice mérésének eredményét, megkaphatja Alice eredeti qubit |Ф> állapotát a (10.6) sémának megfelelő kvantumműveletek végrehajtásával. Tehát ha Alice azt mondta neki, hogy a mérésének eredménye 00, akkor Bobnak nem kell semmit tennie a qubitjével - az |F> állapotban van, vagyis az átvitel eredménye már megtörtént. Ha Alice mérése 01-es eredményt ad, akkor Bobnak egy kapuval kell cselekednie a kvbitjére x. Ha Alice mérete 10, akkor Bobnak kaput kell alkalmaznia Z. Végül, ha az eredmény 11, akkor Bobnak kell működtetnie a kapukat X*Z hogy megkapjuk a továbbított állapotot |Ф>.

A teleportáció jelenségét leíró teljes kvantumkört az ábra mutatja. A teleportáció jelenségének számos körülménye van, amelyeket az általános fizikai elvek figyelembevételével kell megmagyarázni. Például úgy tűnhet, hogy a teleportáció lehetővé teszi egy kvantumállapot azonnali átvitelét, ezért gyorsabban, mint a fénysebesség. Ez az állítás egyenesen ellentmond a relativitáselméletnek. A teleportáció jelensége azonban nem mond ellent a relativitáselméletnek, mert a teleportáció végrehajtásához Alice-nek klasszikus kommunikációs csatornán kell továbbítania mérésének eredményét, a teleportáció pedig semmilyen információt nem továbbít.”

A teleportáció jelensége egyértelműen és logikusan következik a kvantummechanika formalizmusából. Nyilvánvaló, hogy ennek a jelenségnek az alapja, „magja” az összefonódás. Ezért a teleportáció logikus, mint az összefonódás, könnyen és egyszerűen leírható matematikailag, anélkül, hogy a logikával vagy a józan ész ellentmondásaira adna okot.

Bell egyenlőtlenségei

A logika „normatív tudomány a nyelv segítségével végzett intellektuális kognitív tevékenység formáiról és technikáiról. Sajátosságok logikai törvények az, hogy ezek olyan állítások, amelyek kizárólag logikai formájuk miatt igazak. Más szóval, az ilyen kijelentések logikai formája határozza meg igazságukat, függetlenül a nem logikai kifejezések tartalmának specifikációjától.

(Vasyukov V., „Krugosvet” enciklopédia, http://slovari.yandex.ru/dict/krugosvet/article/b/bf/1010920.htm)

A logikai elméletek közül különösen érdekelnek bennünket nem klasszikus logika – kvantum logika, amely feltételezi a klasszikus logika törvényeinek megsértését a mikrokozmoszban.

Bizonyos mértékig a dialektikus logikára, az „ellentmondások” logikájára fogunk támaszkodni: „A dialektikus logika filozófia, igazságelmélet(Hegel szerint igazságfolyamat), míg a többi „logika” a tudás eredményeinek rögzítésének és megvalósításának speciális eszköze. Az eszköz nagyon szükséges (például anélkül, hogy matematikai és logikai szabályokra támaszkodna az állítások kiszámításakor, egyetlen számítógépes program sem fog működni), de mégis különleges.

Ez a logika a különböző, olykor nemcsak külső hasonlóságtól, hanem egymásnak ellentmondó jelenségek egyetlen forrásából eredő és fejlődési törvényeit tanulmányozza. Ráadásul a dialektikus logikához ellentmondás már benne rejlik a jelenségek eredetének forrásában. Ellentétben a formális logikával, amely ezt tiltja a „kizárt közép törvénye” formájában (akár A, akár nem-A - tertium non datur: Nincs harmadik). De mit tehetsz, ha a fény magjában – a fény mint „igazság” – egyszerre hullám és részecske (testrész), amelyet még a legkifinomultabb laboratóriumi kísérletek körülményei között sem lehet „osztani”?”

(Kudrjavcev V., Mi a dialektikus logika? http://www.tovievich.ru/book/8/340/1.htm)

Józan ész

A szó arisztotelészi jelentésében az a képesség, hogy egy tárgy tulajdonságait más érzékszervek segítségével megértsük.

Az „átlagemberre” jellemző hiedelmek, vélemények, a dolgok gyakorlati megértése.

Elhangzott: jó, indokolt ítélet.

A logikus gondolkodás hozzávetőleges szinonimája. Kezdetben a józan észt a szellemi képesség szerves részének tekintették, amely tisztán racionális módon működik.

(Oxford Explanatory Dictionary of Psychology / Szerk.: A. Reber, 2002,
http://vocabulary.ru/dictionary/487/word/%C7%C4%D0%C0%C2%DB%C9+%D1%CC%DB%D1%CB)

Itt a józan észt kizárólag a jelenségek formális logikával való megfelelésének tekintjük. A konstrukciókban csak a logikának való ellentmondás szolgálhat alapul a következtetések tévedésének, hiányosságának vagy abszurditásának felismeréséhez. Ahogy Yu Sklyarov mondta, a valós tényekre a logika és a józan ész segítségével kell magyarázatot keresni, bármilyen furcsának, szokatlannak és „tudománytalannak” tűnnek is ezek a magyarázatok első pillantásra.

Az elemzés során a tudományos módszerre támaszkodunk, amit próba-hibának tekintünk.

(Serebryany A.I., Tudományos módszer és hibák, Nature, No. 3, 1997, http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/VV_SC2_W.HTM)

Ugyanakkor tisztában vagyunk azzal is, hogy maga a tudomány is a hiten alapszik: „lényegében minden tudás a kezdeti feltevésekbe vetett hiten alapul (amelyeket eleve, intuíción keresztül veszünk fel, és amelyeket racionálisan közvetlenül és szigorúan nem lehet bizonyítani) különösen a következőket:

(i) elménk képes felfogni a valóságot,
(ii) érzéseink tükrözik a valóságot,
(iii) a logika törvényei."

(V.S. Olkhovsky V.S., Hogyan viszonyulnak egymáshoz az evolucionizmus és a kreacionizmus hitének posztulátumai a modern tudományos adatokkal, http://www.scienceandapologetics.org/text/91.htm)

"Azt a tényt, hogy a tudomány a hiten alapszik, amely minőségileg nem különbözik a vallásos hittől, maguk a tudósok is elismerik."

Albert Einstein nevéhez fűződik a józan ész e meghatározása: „A józan ész előítéletek halmaza, amelyet tizennyolc éves korunkban sajátítunk el.” (http://www.marketer.ru/node/1098). Tegyük hozzá a magunk nevében ezzel kapcsolatban: Ne utasítsd el a józan észt – különben megtagadhat téged.

Ellentmondás

„A formális logikában egymásnak ellentmondó ítéletek párja, vagyis olyan ítéletek, amelyek mindegyike a másik tagadása. Ellentmondásnak is nevezik azt a tényt, hogy egy ilyen ítéletpár megjelenik bármely érvelés során vagy bármely tudományos elmélet keretein belül.

(Nagy Szovjet Enciklopédia, Rubrikon, http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00063/38600.htm)

„Olyan gondolat vagy álláspont, amely összeegyeztethetetlen a másikkal, megcáfol egy másikat, a gondolatok, kijelentések és cselekedetek következetlensége, a logika vagy az igazság megsértése.”

(Ushakov magyarázó szótára az orosz nyelvről, http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/16-4/us3102504.htm)

„két egymást kizáró definíció vagy ugyanarról a dologról szóló kijelentés (ítélet) egyidejű igazságának logikai helyzete. A formális logikában az ellentmondást az ellentmondás törvénye szerint elfogadhatatlannak tekintik.”

Paradoxon

„1) vélemény, ítélet, következtetés, amely élesen ellentmond az általánosan elfogadottnak, ellentétes a „józan ésszel” (néha csak első pillantásra);

2) váratlan jelenség, olyan esemény, amely nem felel meg a szokásos elképzeléseknek;

3) a logikában - az igazságtól való bármilyen eltérés esetén felmerülő ellentmondás. Az ellentmondás egyet jelent az „antinómia” kifejezéssel – a törvényben ellentmondás – ez a név minden olyan érvelést, amely bizonyítja a tézis igazságát és tagadásának igazságát.

Gyakran paradoxon merül fel, amikor két egymást kizáró (ellentmondó) állítás egyformán bizonyíthatónak bizonyul.”

Mivel paradoxonnak olyan jelenséget tekintünk, amely ellentmond az általánosan elfogadott nézeteknek, ezért ebben az értelemben a paradoxon és az ellentmondás hasonló. Ezeket azonban külön vizsgáljuk meg. Bár a paradoxon ellentmondás, logikusan megmagyarázható, és a józan ész számára hozzáférhető. Az ellentmondást feloldhatatlan, lehetetlen, abszurd logikai konstrukciónak fogjuk tekinteni, amely a józan ész álláspontjából megmagyarázhatatlan.

A cikk olyan ellentmondásokat keres, amelyek nem csak nehezen feloldhatók, de az abszurditás szintjére is eljutnak. Nem mintha nehéz lenne megmagyarázni, de még a probléma felállítása és az ellentmondás lényegének leírása is nehézségekbe ütközik. Hogyan magyarázz meg valamit, amit nem is tudsz megfogalmazni? Véleményünk szerint Young kettős réses kísérlete akkora abszurdum. Felfedezték, hogy rendkívül nehéz megmagyarázni egy kvantumrészecske viselkedését, ha két résbe ütközik.

Abszurd

Valami logikátlan, abszurd, a józan ésszel ellentétes.

Abszurdnak tekinthető egy kifejezés, ha külsőleg nem ellentmondásos, de amelyből ellentmondás még levezethető.

Egy abszurd állítás értelmes, és következetlensége miatt hamis. Az ellentmondás logikai törvénye az igenlés és a tagadás megengedhetetlenségéről beszél.

Egy abszurd kijelentés ennek a törvénynek a közvetlen megsértése. A logikában a bizonyítékot a reductio ad absurdum („redukció az abszurdumra”) szerint veszi figyelembe: ha egy bizonyos állításból ellentmondást vezetünk le, akkor ez a tétel hamis.

A görögök számára az abszurditás fogalma logikai zsákutcát jelentett, vagyis azt a helyet, ahol az érvelés nyilvánvaló ellentmondáshoz, sőt nyilvánvaló értelmetlenséghez vezeti az érvelőt, és ezért másfajta gondolkodást igényel. Így az abszurditást a racionalitás központi összetevőjének, a logikának a tagadásaként fogták fel. (http://www.ec-dejavu.net/a/Absurd.html)

Irodalom

1. A szempont. „Bell tétele: egy kísérletező naiv nézete”, 2001,
   (http://quantum3000.narod.ru/papers/edu/aspect_bell.zip)
2. Aspektus: Alain aspektus, Bell-tétel: egy kísérletező naiv nézete, (Angolról fordította: Putenikhin P.V.), Quantum Magic, 4, 2135 (2007).
   http://quantmagic.narod.ru/volumes/VOL422007/p2135.html
3. Bacciagaluppi G., A dekoherencia szerepe a kvantumelméletben: M. H. fordítása. - Tudomány- és Technológiatörténeti és Filozófiai Intézet (Párizs) -
4. Belinsky A.V., Kvantum nem lokalitás és a mért mennyiségek a priori értékeinek hiánya a fotonokkal végzett kísérletekben, UFN, 173. kötet, 2003. augusztus 8.
5. Bouwmeister D., Eckert A., Zeilinger A., ​​A kvantuminformáció fizikája. -
   http://quantmagic.narod.ru/Books/Zeilinger/g1.djvu
6. Hullámfolyamatok inhomogén és nemlineáris közegekben. 10. szeminárium. Kvantumteleportáció, Voronyezsi Állami Egyetem, REC-010 Tudományos és Oktatási Központ,
   http://www.rec.vsu.ru/rus/ecourse/quantcomp/sem10.pdf
7. Doronin S.I., „A kvantummechanika nem lokalitása”, Physics of Magic Forum, „Physics of Magic” webhely, Fizika, http://physmag.h1.ru/forum/topic.php?forum=1&topic=29
8. Doronin S.I., „Physics of Magic” webhely, http://physmag.h1.ru/
9. Zarechny M.I., Kvantum és misztikus képek a világról, 2004, http://www.simoron.dax.ru/
10. Kvantum teleportáció (Gordon adás 2002. május 21., 00:30),
    http://www.mi.ras.ru/~volovich/lib/vol-acc.htm
11. Mensky M.B., Kvantummechanika: új kísérletek, új alkalmazások
12. Penrose Roger, A király új elméje: A számítógépekről, a gondolkodásról és a fizika törvényeiről: Ford. angolról / Tábornok szerk. V.O. Malysenko. - M.: Szerkesztői URSS, 2003. - 384 p. A könyv fordítása:
    Roger Penrose, A császár új elméje. A számítógépekről, az elmékről és a fizika törvényeiről. Oxford University Press, 1989.
13. Putenikhin P.V., Kvantummechanika versus SRT. - Szamizdat, 2008,
    http://zhurnal.lib.ru/editors/p/putenihin_p_w/kmvsto.shtml
14. Putenikhin P.V.: Bell J.S., On the Einstein Podolsky Rosen paradoxon (fordítás angolból - P.V. Putenikhin; megjegyzések a következtetésekhez és a cikk eredeti szövegéhez). - Szamizdat, 2008,
    http://zhurnal.lib.ru/editors/p/putenihin_p_w/bell.shtml
15. Sudbury A., Kvantummechanika és részecskefizika. - M.: Mir, 1989
16. Sklyarov A., Ókori Mexikó torzító tükrök nélkül, http://lah.ru/text/sklyarov/mexico-web.rar
17. Hawking S.: Az idő rövid története az ősrobbanástól a fekete lyukakig. - Szentpétervár, 2001
18. Hawking S., Penrose R., A tér és az idő természete. - Izhevsk: Kutatóközpont „Szabályos és kaotikus dinamika”, 2000, 160 pp.
19. Tsypenyuk Yu.M., Bizonytalansági reláció vagy komplementaritás elve? - M.: Priroda, 1999. 5. sz., 90. o
20. Einstein A. Tudományos munkák gyűjteménye négy kötetben. 4. kötet Cikkek, ismertetők, levelek. A fizika evolúciója. M.: Nauka, 1967,
    http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Einstein_t4_1967ru.djvu
21. Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Teljesnek tekinthető-e a fizikai valóság kvantummechanikai leírása? / Einstein A. Gyűjtemény. tudományos munkák, 3. évf. M., Nauka, 1966, p. 604-611,
    http://eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Einstein_t3_1966ru.djvu

Putenikhin P.V.

3) És mivel ez egy kvantumelmélet, a téridő mindezt egyszerre is megteheti. Egyszerre képes létrehozni a csecsemő univerzumot, és nem létrehozni.

A tér-idő szövete lehet, hogy egyáltalán nem szövet, hanem olyan diszkrét komponensekből áll, amelyek csak nagy makroszkopikus léptékekben tűnnek fel nekünk folytonos szövetnek.

4) A kvantumgravitáció legtöbb megközelítésében a téridő nem alapvető, hanem valami másból áll. Ezek lehetnek húrok, hurkok, qubitek vagy téridő "atomok" változatai, amelyek a sűrített anyag megközelítésében jelennek meg. Az egyes alkatrészeket csak a legnagyobb energiák felhasználásával lehet szétszedni, ami messze meghaladja a Földön elérhető energiákat.

5) Egyes kondenzált anyagú megközelítésekben a téridő szilárd vagy folyékony test tulajdonságaival rendelkezik, azaz lehet rugalmas vagy viszkózus. Ha ez valóban így van, akkor elkerülhetetlenek a megfigyelhető következmények. A fizikusok jelenleg a vándor részecskékben, vagyis a mélyűrből hozzánk eljutó fényben vagy elektronokban keresik az ilyen hatások nyomait.

Egy prizma által szétszórt folytonos fénysugár sematikus animációja. A kvantumgravitáció egyes megközelítéseiben a tér diszpergáló közegként működhet a különböző hullámhosszú fények számára

6) A téridő befolyásolhatja, hogy a fény hogyan halad át rajta. Előfordulhat, hogy nem teljesen átlátszó, vagy különböző színű fények terjedhetnek különböző sebességgel. Ha a kvantumtéridő befolyásolja a fény terjedését, ez is megfigyelhető lesz a jövőbeni kísérletekben.

7) A téridő ingadozása tönkreteheti a távoli forrásokból származó fény azon képességét, hogy interferenciamintákat hozzon létre. Ezt a hatást keresték, de nem találták, legalábbis a látható tartományban.

A két vastag résen (felső), két vékony résen (középen) vagy egy vastag résen (alul) áthaladó fény interferenciát mutat, jelezve hullámtermészetét. A kvantumgravitációban azonban előfordulhat, hogy néhány várható interferencia-tulajdonság nem lehetséges

8) Az erős görbületű területeken az idő térré változhat. Ez megtörténhet például fekete lyukak belsejében vagy egy ősrobbanás során. Ebben az esetben az általunk ismert három térdimenziós és egy idődimenziós téridő négydimenziós „euklideszi” térré alakulhat.

Két különböző térbeli vagy időbeli hely összekapcsolása egy féreglyukon keresztül csak elméleti ötlet, de nemcsak érdekes lehet, hanem elkerülhetetlen is a kvantumgravitációban

A téridő nem lokálisan kapcsolódhat apró féreglyukakhoz, amelyek az egész univerzumot átfogják. Az ilyen nem lokális kapcsolatoknak minden olyan megközelítésben létezniük kell, amelyek mögöttes struktúra nem geometriai, például gráfban vagy hálózatban. Ilyen esetekben ugyanis a „közelség” fogalma nem alapvető, hanem következetes és tökéletlen, így véletlenül távoli területek is összekapcsolódhatnak.

10) Talán ahhoz, hogy a kvantumelméletet egyesítsük a gravitációval, nem a gravitációt kell frissítenünk, hanem magát a kvantumelméletet. Ha igen, a következmények messzemenőek lesznek. Mivel a kvantumelmélet minden elektronikus eszköz alapja, ennek újragondolása teljesen új lehetőségeket nyit meg.

Bár a kvantumgravitációt gyakran pusztán elméleti ötletnek tekintik, számos lehetőség kínálkozik a kísérleti tesztelésre. Mindannyian minden nap utazunk téridőben. Ennek megértése megváltoztathatja az életünket.

1. definíció

A kvantumfizika a kvantummechanikai és kvantumtérrendszerek tanulmányozása. Alaptörvényeit a kvantummechanika és a térelmélet veszi figyelembe.

A kvantumfizikában sok rejtély és paradoxon van. Közülük a leghíresebbek a következők:

• Heisenberg bizonytalansági elv;
• hullám-részecske kettősség;
• Shroedinger macskája.

A Heisenberg-féle bizonytalansági elv rejtélye

Lehetetlen egyidejűleg pontosan meghatározni a kvantumrészecske koordinátáit és sebességét. Ez a Heisenberg-féle bizonytalansági elv rejtélye. A bizonytalansági viszonyok két, egymással nem ingázó megfigyelhető elem egyidejű mérésének elméleti határát jelentik. Ideális és nem ideális Neumann mérésekre is érvényesek lesznek.

Ennek az elvnek megfelelően lehetetlen egyszerre pontosan megmérni egy részecske sebességét (impulzusát) és helyzetét. A bizonytalansági elv abban az esetben is alkalmazható, ha a két szélső helyzet egyike sem valósul meg:

• teljesen meghatározott impulzus és bizonytalan térbeli koordináta;
• teljesen határozatlan impulzus és határozott koordináta.

1. megjegyzés

A bizonytalansági összefüggés nem korlátozza egyetlen mennyiség mérésének pontosságát sem. Ha az operátor különböző időpontokban ingázik önmagával, akkor egy érték többszöri (folyamatos) mérésének pontossága nem lesz korlátozva.

Egy szabad részecske bizonytalansági relációja például nem akadálya annak, hogy pontosan mérjük lendületét, ugyanakkor nem teszi lehetővé a koordináta pontos mérését (ezt a korlátozást standard kvantumhatárnak nevezzük). A kvantummechanikában a matematikai értelemben vett bizonytalansági reláció a Fourier-transzformációs tulajdonság közvetlen következménye.

Mennyiségileg pontos analógia van a jelek és hullámok tulajdonságai és a Heisenberg-féle bizonytalansági összefüggések között.

Vegyünk például egy időben változó jelet – egy hanghullámot. A frekvencia pontos meghatározásához a jelet egy ideig megfigyelni kell, így elveszítve a meghatározás pontosságát. Más szóval, a hangot nem lehet időben pontosan rögzíteni (mint egy nagyon rövid impulzus), miközben egyidejűleg frekvenciaértéket kap (mint egy tiszta szinuszhullám).

A hullám időbeli helyzete és frekvenciája matematikailag teljesen analógnak tekinthető a részecske koordinátájával és kvantummechanikai impulzusával:

$p_x=\bar(h)k_x$

A kvantummechanikában az impulzus a megfelelő koordináta mentén jelentkező térbeli frekvencia. A mindennapi életben makroszkopikus objektumok megfigyelésekor általában nem figyelünk meg kvantumbizonytalanságot, mivel a $\bar(h)$ értéke elég kicsi, ami miatt a bizonytalansági viszonyok hatásai mérőműszerekkel vagy érzékszervekkel kimutathatatlanok.

A hullám-részecske kettősség rejtélye

Jegyzet 2

A részecske-hullám dualizmus (kvantumhullám) a természet rejtélye, amely abból áll, hogy az anyagi mikroszkopikus tárgyak képesek bizonyos körülmények között a klasszikus hullámok, más esetekben a klasszikus részecskék tulajdonságait mutatni.

A kettős hullám-részecske viselkedést mutató objektumok tipikus példái a fény és az elektronok. Ezt az elvet a nagyobb tárgyakra is érvényesnek tekintik, de minél tömegesebb az objektum, annál kevésbé nyilvánulnak meg hullámtulajdonságai (kivéve a folyadék felszínén lévő hullámokat).

A kvantum-hullám-dualizmus gondolata a kvantummechanika fejlesztésében vett részt azzal a céllal, hogy a mikrokozmoszban megfigyelt jelenségeket a klasszikus fogalmak álláspontjából értelmezze. A kvantumobjektumok valójában nem klasszikus hullámok vagy részecskék. Mind az első, mind a második tulajdonságait kizárólag a rajtuk végzett kísérletek körülményeitől függően mutatják. A hullám-részecske kettősség csak a kvantummechanika formátumában magyarázható;

A kvantumdualizmus elve kvantitatív kifejezését a de Broglie-hullám gondolatában kapta: minden olyan objektum esetében, amely egyszerre mutat korpuszkuláris és hullámtulajdonságokat, összefüggés van a $p$ lendület, az $E$ energia között (ez velejárója). objektum mint részecske) hullámparamétereivel: $k$ (hullámvektor) és hossza $\lambda$, frekvencia $v$

Ezt a kapcsolatot a következő kapcsolatok határozzák meg:

$E=\bar(h)\omega=hv$

ahol $\bar(h)$ a redukált Planck-állandó;

$h=2\pi\bar(h)$ a szokásos Planck-állandó.

A De Broglie hullámok a mikrovilág minden mozgó objektumához kapcsolódnak. Mint ilyen hullám, a könnyű és nagy tömegű részecskék ki vannak téve a diffrakció és az interferencia jelenségeinek.

Minél nagyobb a részecske tömege, annál rövidebb lesz a de Broglie-hullámhossz, és sokkal nehezebb lesz regisztrálni a hullámtulajdonságait. A környezettel való interakció során az objektum a következőképpen fog viselkedni:

• mint egy részecske, ha hullámhossza jóval kisebb, mint a környezetében jellemző méretek;
• mint egy hullám (ha sokkal nagyobb);
• a köztes változat csak egy teljes értékű kvantumelmélet formátumában írható le.

Schrödinger rejtélye

A tudósokat érdekli a Schrödinger-macska gondolatkísérletének rejtélye. E. Schrödinger osztrák fizikus, a kvantummechanika egyik megalapítója javasolta. Schrödinger ezzel a kísérlettel a kvantummechanika hiányosságát kívánta demonstrálni a szubatomi rendszerekről a makroszkopikus rendszerekre való átmenetben.

Ebben a kísérletben egy képzeletbeli macskát helyeznek egy fekete, átlátszatlan dobozba, és egyensúlyozni kezd élet és halál között egy mérgező anyagot tartalmazó mag lebomlásának veszélye miatt.

A kvantummechanika elvei szerint, ha az atommagot nem figyeljük meg, akkor két állapot keverékével (szuperpozíciójával) írható le: egy bomlott és egy el nem bomlott atommag. Így a dobozban ülő macskát egyszerre tekintik élőnek és halottnak.

A doboz kinyitásakor a kísérletvezető egyetlen állapotot figyelhet meg: a mag elbomlott és megölte a macskát, vagy életben maradt, mert a mag nem bomlott le.

Kísérletében Schrödinger feltette a kérdést: mikor szűnik meg egy rendszer két állapot keveredése következtében, és válasszon egyet? A kísérlet célja annak bizonyítása volt, hogy a kvantummechanika nem tekinthető teljesnek bizonyos szabályok nélkül, amelyek a hullámfüggvény összeomlásának feltételeit jelzik. A macska vagy életben marad, vagy meghal, de mindenesetre megszűnik a kettő keveréke lenni (nincs olyan állapot, amely egyszerre ötvözi a halált és az életet).

A macska példája hasonló lesz az atommag esetében, amelynek szükségszerűen bomlásnak kell lennie, vagy nem bomlott el. A több milliárd atomból álló nagy komplex rendszerekben a dekoherencia szinte azonnal megtörténik. Emiatt egy macska nem lehet egyszerre élő és halott egy bizonyos, mérhető időtartamon keresztül. A dekoherencia folyamata fontos eleme lesz ennek a gondolatkísérletnek.