Nikt na tym świecie nie rozumie, czym jest mechanika kwantowa. To chyba najważniejsza rzecz, jaką musisz o niej wiedzieć. Oczywiście wielu fizyków nauczyło się używać praw, a nawet przewidywać zjawiska na podstawie obliczeń kwantowych. Ale nadal nie jest jasne, dlaczego obserwator eksperymentu określa zachowanie systemu i sprawia, że przyjmuje jeden z dwóch stanów.
Oto kilka przykładów eksperymentów z wynikami, które nieuchronnie zmienią się pod wpływem obserwatora. Pokazują, że mechanika kwantowa praktycznie zajmuje się interwencją świadomej myśli w materialną rzeczywistość.
Obecnie istnieje wiele interpretacji mechaniki kwantowej, ale chyba najbardziej znana jest Interpretacja Kopenhaska. W latach dwudziestych XX wieku jego ogólne postulaty sformułowali Niels Bohr i Werner Heisenberg.
Interpretacja kopenhaska opiera się na funkcji falowej. Jest to funkcja matematyczna, która zawiera informacje o wszystkich możliwych stanach układu kwantowego, w którym istnieje jednocześnie. Zgodnie z interpretacją kopenhaską stan systemu i jego położenie względem innych państw można określić jedynie na podstawie obserwacji (funkcja falowa służy jedynie do matematycznego obliczenia prawdopodobieństwa znalezienia układu w jednym lub innym stanie).
Można powiedzieć, że po obserwacji układ kwantowy staje się klasyczny i natychmiast przestaje istnieć w innych stanach niż ten, w którym został zaobserwowany. Wniosek ten znalazł swoich przeciwników (pamiętajcie o słynnym „Bóg nie gra w kości” Einsteina), ale dokładność obliczeń i przewidywań wciąż miała swoją.
Niemniej jednak liczba zwolenników interpretacji kopenhaskiej spada, a głównym powodem tego jest tajemniczy, natychmiastowy załamanie się funkcji falowej podczas eksperymentu. Słynny eksperyment myślowy Erwina Schrödingera z biednym kotem powinien wykazać absurdalność tego zjawiska. Pamiętajmy o szczegółach.
Wewnątrz czarnej skrzynki siedzi czarny kot, a wraz z nim butelka trucizny oraz mechanizm, który może losowo uwalniać truciznę. Na przykład atom radioaktywny może rozbić bańkę podczas rozpadu. Dokładny czas rozpadu atomu nie jest znany. Znany jest tylko okres półtrwania, podczas którego rozpad występuje z prawdopodobieństwem 50%.
Oczywiście dla zewnętrznego obserwatora kot w pudełku znajduje się w dwóch stanach: albo żyje, jeśli wszystko poszło dobrze, albo martwy, jeśli nastąpił rozkład i butelka pękła. Oba te stany opisuje funkcja falowa kota, która zmienia się w czasie.
Film promocyjny:
Im więcej czasu minęło, tym bardziej prawdopodobne jest, że nastąpił rozpad radioaktywny. Ale gdy tylko otworzymy pudełko, funkcja falowa załamuje się i natychmiast widzimy wyniki tego nieludzkiego eksperymentu.
W rzeczywistości, dopóki obserwator nie otworzy pudełka, kot będzie w nieskończoność balansować między życiem a śmiercią lub będzie żył i martwy w tym samym czasie. O jego losie mogą decydować jedynie działania obserwatora. Na ten absurd zwrócił uwagę Schrödinger.
1. Dyfrakcja elektronów
Według sondażu słynnych fizyków przeprowadzonego przez The New York Times, eksperyment dyfrakcji elektronów jest jednym z najbardziej niesamowitych badań w historii nauki. Jaka jest jego natura? Jest źródło, które emituje wiązkę elektronów na światłoczuły ekran. A na drodze tych elektronów jest przeszkoda, miedziana płytka z dwoma szczelinami.
Jakiego rodzaju obrazu można się spodziewać na ekranie, jeśli elektrony są zwykle przedstawiane nam jako małe naładowane kulki? Dwa paski naprzeciwko szczelin w płycie miedzianej. Ale w rzeczywistości na ekranie pojawia się znacznie bardziej złożony wzór naprzemiennych białych i czarnych pasków. Wynika to z faktu, że elektrony przechodząc przez szczelinę zaczynają zachowywać się nie tylko jak cząstki, ale także jak fale (podobnie zachowują się fotony lub inne cząsteczki światła, które jednocześnie mogą być falą).
Fale te oddziałują w przestrzeni, zderzając się ze sobą i wzmacniając, w wyniku czego na ekranie wyświetlany jest złożony wzór naprzemiennych jasnych i ciemnych pasów. Jednocześnie wynik tego eksperymentu nie zmienia się, nawet jeśli elektrony przechodzą jeden po drugim - nawet jedna cząstka może być falą i przechodzić jednocześnie przez dwie szczeliny. Postulat ten był jednym z głównych w kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, w której cząstki mogą jednocześnie wykazywać swoje „zwykłe” właściwości fizyczne i egzotyczne jak fala.
A co z obserwatorem? To on sprawia, że ta zagmatwana historia jest jeszcze bardziej zagmatwana. Kiedy fizycy podczas takich eksperymentów próbowali określić za pomocą instrumentów, przez które szczelina faktycznie przechodzi elektron, obraz na ekranie zmienił się dramatycznie i stał się „klasyczny”: z dwoma podświetlanymi sekcjami dokładnie naprzeciw szczelin, bez żadnych naprzemiennych pasów.
Wydawało się, że elektrony niechętnie ujawniają swą falową naturę uważnemu oku obserwatorów. Wygląda jak tajemnica spowita ciemnością. Ale jest też prostsze wyjaśnienie: monitorowania systemu nie można przeprowadzić bez fizycznego wpływania na niego. Omówimy to później.
2. Ogrzewane fulereny
Eksperymenty z dyfrakcją cząstek przeprowadzono nie tylko na elektronach, ale także na innych, znacznie większych obiektach. Na przykład użyli fulerenów, dużych i zamkniętych cząsteczek składających się z kilkudziesięciu atomów węgla. Niedawno grupa naukowców z Uniwersytetu Wiedeńskiego, kierowana przez profesora Zeilingera, próbowała włączyć do tych eksperymentów element obserwacji. W tym celu napromieniowali poruszające się cząsteczki fulerenu wiązkami laserowymi. Następnie, podgrzane przez zewnętrzne źródło, cząsteczki zaczęły świecić i nieuchronnie pokazywać obserwatorowi swoją obecność.
Wraz z tą innowacją zmieniło się również zachowanie cząsteczek. Przed rozpoczęciem tak kompleksowych obserwacji fulereny dość skutecznie omijały przeszkody (wykazując właściwości falowe), podobnie jak w poprzednim przykładzie z elektronami uderzającymi w ekran. Jednak wraz z obecnością obserwatora fulereny zaczęły zachowywać się jak całkowicie przestrzegające prawa cząstki fizyczne.
3. Wymiar chłodzenia
Jednym z najbardziej znanych praw w świecie fizyki kwantowej jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, zgodnie z którą niemożliwe jest jednoczesne określenie prędkości i położenia obiektu kwantowego. Im dokładniej mierzymy pęd cząstki, tym mniej dokładnie możemy zmierzyć jej położenie. Jednak w naszym makroskopowym świecie rzeczywistym ważność praw kwantowych działających na maleńkie cząsteczki zwykle pozostaje niezauważona.
Niedawne eksperymenty profesora Schwaba z USA stanowią bardzo cenny wkład w tę dziedzinę. Efekty kwantowe w tych eksperymentach zostały zademonstrowane nie na poziomie elektronów czy cząsteczek fulerenu (o przybliżonej średnicy 1 nm), ale na większych obiektach, maleńkiej aluminiowej wstążce. Taśma ta została zamocowana z obu stron tak, aby jej środek znajdował się w stanie zawieszenia i mógł wibrować pod wpływem czynników zewnętrznych. Ponadto w pobliżu umieszczono urządzenie, które mogło dokładnie rejestrować położenie taśmy. Eksperyment ujawnił kilka interesujących rzeczy. Po pierwsze, każdy pomiar związany z położeniem obiektu i obserwacją taśmy wpływał na to, po każdym pomiarze zmieniało się położenie taśmy.
Eksperymentatorzy z dużą precyzją wyznaczyli współrzędne taśmy, dzięki czemu zgodnie z zasadą Heisenberga zmienili jej prędkość, a co za tym idzie późniejsze położenie. Po drugie, dość nieoczekiwanie, niektóre pomiary doprowadziły do ochłodzenia taśmy. W ten sposób obserwator może zmienić fizyczne cechy obiektów przez samą swoją obecność.
4. Zamrażanie cząstek
Jak wiadomo, niestabilne cząstki radioaktywne rozpadają się nie tylko w eksperymentach z kotami, ale także samodzielnie. Każda cząstka ma średnią żywotność, która, jak się okazuje, może się wydłużyć pod czujnym okiem obserwatora. Ten efekt kwantowy przewidywano już w latach sześćdziesiątych XX wieku, a jego genialne dowody eksperymentalne pojawiły się w artykule opublikowanym przez grupę kierowaną przez fizyka Wolfganga Ketterle'a z MIT, zdobywcę Nagrody Nobla.
W pracy badano rozpad niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu. Natychmiast po przygotowaniu układu atomy były wzbudzane za pomocą wiązki laserowej. Obserwacja odbywała się w dwóch trybach: ciągłym (system był stale wystawiany na małe impulsy świetlne) i pulsacyjnym (system był co jakiś czas naświetlany mocniejszymi impulsami).
Uzyskane wyniki były w pełni zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Zewnętrzne efekty świetlne spowalniają rozpad cząstek, przywracając je do pierwotnego stanu, który jest daleki od stanu rozpadu. Skala tego efektu była również zgodna z prognozami. Maksymalna żywotność niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu wzrosła 30-krotnie.
5. Mechanika kwantowa i świadomość
Elektrony i fulereny przestają wykazywać właściwości falowe, płyty aluminiowe stygną, a niestabilne cząsteczki spowalniają ich rozpad. Uważne oko patrzącego dosłownie zmienia świat. Dlaczego nie może to świadczyć o zaangażowaniu naszych umysłów w funkcjonowanie świata? Być może Carl Jung i Wolfgang Pauli (austriacki fizyk, laureat Nagrody Nobla, pionier mechaniki kwantowej) mieli jednak rację, kiedy mówili, że prawa fizyki i świadomości powinny być postrzegane jako komplementarne?
Jesteśmy o krok od uznania, że otaczający nas świat jest tylko iluzorycznym wytworem naszego umysłu. Pomysł jest przerażający i kuszący. Spróbujmy ponownie zwrócić się do fizyków. Zwłaszcza w ostatnich latach, kiedy coraz mniej ludzi wierzy w kopenhaską interpretację mechaniki kwantowej z jej tajemniczą funkcją falową, odnoszącą się do bardziej przyziemnej i niezawodnej dekoherencji.
Chodzi o to, że we wszystkich tych eksperymentach z obserwacjami eksperymentatorzy nieuchronnie wpłynęli na system. Zapalili go laserem i zainstalowali urządzenia pomiarowe. Łączyła ich ważna zasada: nie można obserwować układu ani mierzyć jego właściwości bez interakcji z nim. Każda interakcja to proces modyfikowania właściwości. Zwłaszcza, gdy malutki układ kwantowy jest wystawiony na działanie kolosalnych obiektów kwantowych. Jakiś wiecznie neutralny buddyjski obserwator jest z zasady niemożliwy. I tu w grę wchodzi termin „dekoherencja”, który jest nieodwracalny z termodynamicznego punktu widzenia: właściwości kwantowe układu zmieniają się podczas interakcji z innym dużym układem.
Podczas tej interakcji układ kwantowy traci swoje pierwotne właściwości i staje się klasyczny, jakby „był posłuszny” dużemu systemowi. To również wyjaśnia paradoks kota Schrödingera: kot jest zbyt dużym systemem, więc nie można go odizolować od reszty świata. Sam projekt tego eksperymentu myślowego nie jest całkowicie poprawny.
W każdym razie, jeśli przyjmiemy realność aktu stworzenia przez świadomość, dekoherencja wydaje się być podejściem znacznie wygodniejszym. Może nawet zbyt wygodne. Przy takim podejściu cały świat klasyczny staje się jedną wielką konsekwencją dekoherencji. I jak stwierdził autor jednej z najsłynniejszych książek w tej dziedzinie, takie podejście logicznie prowadzi do stwierdzeń typu „nie ma cząstek na świecie” lub „nie ma czasu na podstawowym poziomie”.
Czy jest to prawdą w przypadku twórcy-obserwatora, czy w potężnej dekoherencji? Musimy wybrać między dwoma rodzajami zła. Niemniej naukowcy są coraz bardziej przekonani, że efekty kwantowe są przejawem naszych procesów umysłowych. A to, gdzie kończy się obserwacja, a zaczyna rzeczywistość, zależy od każdego z nas.
Na podstawie materiałów z topinfopost.com