реалността

Квантово измерване или Как реалността възниква на атомно ниво

Светът в субатомни мащаби е меко казано странен. Частиците изобщо не се държат като предмети от ежедневието. Физиците са преследвани от десетилетия защо това е така. Дали неразбраните хипотези, обясняващи поведението на електроните, наистина ще останат загадка за нас завинаги?

Теоретичните прогнози на квантовата механика са причинили значително объркване във физиката. Частиците се държат веднъж като вълна, друг път като обикновени тела. Плюс това, сякаш преминаваха през няколко места наведнъж. Но когато учените се опитаха да изследват въпроса експериментално, особеностите на отражението изчезнаха. Всичко изглеждаше напълно нормално. Какво причини тази промяна? Това е може би най-голямата загадка на квантовата механика, която няколко хипотези се опитват да разрешат. Ще си представим четирите най-известни.

Наблюдателят е отговорен за всичко?

Теоретичните физици, водени от Нилс Бор, който е роден на квантовата теория, излязоха с хипотезата, че с такива малки структури като електрони, намесата на самите измервателни уреди или т.нар наблюдател. Това е най-старият възглед за проблема с квантовото измерване, който се нарича класическа или Копенхагенска интерпретация.

Ще използваме споменатия електрон за пример, но всички структури на микросвета се държат по същия начин. Квантовата механика не ги описва с точни координати, а с помощта на вълнова функция, която вместо точни координати дава само вероятността за намиране в определена област. Той се увеличава с увеличаване на амплитудата на вълната и е най-голям в мястото на най-високия й връх. Винаги обаче има определена ненулева вероятност електронът да се намира практически навсякъде в космоса, дори на няколко светлинни години разстояние.

Следователно, според интерпретацията от Копенхаген, нищо определено не може да се каже за дадена частица, в нашия случай за електрон, освен ако експериментаторът не го насочи със своите устройства. Досега сякаш дори не е съществувал в истинския смисъл на думата. Само благодарение на експеримента той придобива специфични свойства и позиция. Това е следствие от колапса на вълновата функция. 1 На мястото на находката вълната "сочи" към един връх, което представлява 100% вероятност за поява. По този начин частицата изплува в определена позиция. На всички останали места в космоса вълновата функция е напълно балансирана.

Принципите на интерпретацията от Копенхаген са се превърнали в източник на различни гурута и мистификатори. Те докладват псевдонаучни до езотерични твърдения за влиянието на ума върху реалността, те се отнасят до квантовата механика, която всъщност те тълкуват погрешно. Тълкуванията им звучат научно, но те са глупости.

Все още нещо липсва

Класическата интерпретация не беше общоприета. Айнщайн не харесва идеята за електрон, образуван, така да се каже, от наблюдател. Той обичаше да разпитва Бохра, като попита дали Луната съществува само защото мишката я гледа. Той вярва в устройство на света с ясни координати, при което резултатът може да бъде точно предвиден и не е ограничен от всякакви безсмислени вероятности.

С тези идеи той зарази и младия физик Дейвид Бом, който най-накрая разработи своя собствена концепция за квантовата механика. Той твърди, че електроните съществуват независимо от наблюдението. Те просто не се различават от обикновените предмети. Въпреки това, така че изчисленията да работят правилно, той трябваше да въведе допълнителен параметър в уравненията, един вид квантов потенциал. Това е по-сложна аналогия на класическата вълнова функция на Шрьодингер. Бом го характеризира като вид поле, съставено от безкраен брой пресичащи се вълни. Тази функция не е възложена на всяка частица поотделно, но тя съществува "в съседство" като отделна част от реалността, разпространена във Вселената. Въпреки че никое устройство не може да го улови, ефектът му не е пренебрежим на нивото на микросвета.

Вълновата функция на Бом изобщо не показва вероятност, а пряко влияе върху електрона. Сякаш тя стоеше на заден план и го подушваше на определено място. Именно този механизъм е отговорен за гарантиране, че частицата се появява на дадено място. Експериментаторът не изважда обекта от супата на несигурността, както се твърди от интерпретацията от Копенхаген, но влияе върху квантовия потенциал. Именно от това поле зависи състоянието на електрона, а не от външни смущения.

Концепцията за скрит параметър обаче не може да обясни задоволително т.нар „Заплашително действие от разстояние“. В рамките на двойка квантово "свързани" електрони една частица реагира на промяна в квантовото състояние на друга, независимо от разстоянието. В такъв случай квантовият потенциал ще трябва да предава информация за отделни обекти със суперсветена скорост, което противоречи на специалната теория на относителността. 2

Паралелни светове

Може би най-противоречивото обяснение на квантовите особености е представено през 1957 г. като дисертация на студента от университета в Принстън Хю Еверет. Подобно на Дейвид Бом, той беше на мнение, че светът на атомите не се различава от макросвета. Така че няма неопределени параметри. Нещо повече, той не се нуждае от наблюдател и дори не изисква наличието на контролна вълна или друга функция. И така, каква е уловката? Цялата му концепция се основава на предпоставката, че нашата Вселена е една от безкраен брой други.

Еверет напълно изключи понятието за вероятност от квантовата механика. Всички, включително най-малко възможните събития, който описва вълновата функция или матрици на Хайзенберг, наистина ще се случи - в друг свят. Вселената се разделя всеки момент, като прави копия от себе си, когато се появят множество потенциални резултати.

Само заради един електрон има цял куп специални вселени, които се умножават още повече. И това се отнася за всяка отделна частица, всички обекти около нея и, разбира се, хората. И така, според Еверет има безброй отделни светове, в които има „клонинги“ на всеки от нас. Те могат да бъдат почти еднакви или напълно различни. (В тази статия също писахме за паралелните вселени от гледна точка на квантовата механика.) Други физици първоначално смятаха работата за продукт на ум, изпълнен с фантазия, а не като твърдо тяло хипотеза. Научните теории се основават на принципа на бръснача на Окам, според който - ако други обстоятелства са сравними - се предпочита по-просто решение. Идеята за безкраен брой различни реалности обаче определено не е такава. Той носи със себе си и редица морални въпроси. въпреки това прогнозите на това световно тълкуване по нищо не се различават от резултатите от гореспоменатите тълкувания.

Намеса на околната среда

Оказва се обаче, че общите уравнения не изискват никакви допълнения, като паралелни светове или специалната роля на наблюдателя, върху който стоят други интерпретации, стига да се прилагат за неизолирани структури. Всички особености се появяват само в нотациите, които са формулирани за света вътре в атомите или за частици, изолирани от околната среда. В реални условия обаче околното пространство е претъпкано директно с други частици, които взаимодействат помежду си.

Този процес може теоретично да замести ролята на наблюдателя, защото формата на вълновата функция се регулира директно от полетата и телата около. Резултатът ще бъде същият, както след намесата на измервателното устройство, вълната в крайна сметка се срутва на определено място. След това крайното състояние се определя от конвенционалната статистика, подобно на хвърляне на монети. Според изчисленията, цялото процесът отнема много кратко време и колкото по-бързо, толкова по-плътна е средата. Например, вълновата функция на прахообразно зърно в най-дълбоките дълбини на Вселената се срива само след една милионна част от секундата. Ако е в нормални условия, като например апартамент, вълната му рухва за 10-36 секунди.

Този процес се нарича още декохеренция. Той става известен главно благодарение на труд, публикуван през 1970 г. от германския физик Дитер Цех. Учените обаче все още не са съгласни дали това е само хипотеза или истинско свойство на частиците и на всички обекти като цяло. Вече са проведени няколко експеримента в полза на декохерентността.

През десетилетията се появиха редица други повече или по-малко противоречиви обяснения на проблема с квантовото измерване. Например, някои говорят за доказателство за съществуването на вездесъщ Бог, който замества ролята на наблюдател. Но може би най-лесният начин е да приемем факта, че човек никога не разбира загадките на най-малкото ниво.

И накрая, нека си припомним думите на гениалния американски физик Ричард Файнман, който обобщи въпроса с твърдението: „Теорията на квантовата механика описва природата като абсурдна от гледна точка на здравия разум. И той е напълно съгласен с експеримента. Ето защо се надявам, че ще можете да приемете природата такава, каквато е - абсурдно. "

Бележки
1. Поведението на вълновата функция в пространството и времето се описва от уравнението, формулирано от Ервин Шрьодингер, за да опише движението на електрон вътре в атома. Дори самият създател обаче не знаеше как да разбере същността на функцията. Едва когато германският физик Макс Борн предположи, че представлява вероятност и също така въведе процеса на колапс на определено място.
2. Парадоксално, но това поведение на частиците е описано за първи път от Алберт Айнщайн заедно с Борис Подолски и Нейтън Росен. Първоначално той имаше идеята да подкопае постиженията на квантовата механика. Поне Айнщайн не е доживял да види експериментална проверка. Идеята е възприета през 1964 г. от енергичния ирландец Джон Бел. Резултатът беше теорема, която най-накрая позволи такова поведение да бъде потвърдено.

Ресурси
Брайън Грийн - Структурата на Вселената (Време, Пространство и Природата на реалността), Пасека (2012)
Тимъти Ферис - Всичко за Вселената, Remedium (2005)
Джон Грибин - Котенцата на Шрьодингер, Колумб, (2001)

Мичио Каку - Хиперпространство, Арго, Докоран (2008)