Lastenlääkäri määrää antipyreettejä lapsille. Mutta on kuumeisia hätätilanteita, joissa lapselle on annettava lääke välittömästi. Sitten vanhemmat ottavat vastuun ja käyttävät kuumetta alentavia lääkkeitä. Mitä vauvoille saa antaa? Kuinka voit laskea lämpöä vanhemmilla lapsilla? Mitkä lääkkeet ovat turvallisimpia?
Kvanttiteorian syntyminen ja kehitys johti muutokseen klassisissa käsityksissä aineen rakenteesta, liikkeestä, kausaalisuudesta, tilasta, ajasta, kognition luonteesta jne., mikä vaikutti maailmakuvan radikaaliin muutokseen. Klassiselle käsitykselle materiaalihiukkasesta oli ominaista sen terävä erottuminen ympäristöstä, oman liikkeensä ja avaruuden sijainnin hallussapito. Kvanttiteoriassa hiukkanen alettiin esittää toiminnallisena osana järjestelmää, johon se sisältyy, ilman, että sillä ei ole sekä koordinaatteja että liikemäärää. Klassisessa teoriassa liikettä pidettiin hiukkasen siirtymisenä, joka pysyy identtisenä itsensä kanssa tiettyä liikerataa pitkin. Hiukkasten liikkeen kaksinainen luonne teki välttämättömäksi tällaisen liikkeen esittämisen luopumisen. Klassinen (dynaaminen) determinismi väistyi probabilistiselle (tilastolliselle) determinismille. Jos aiemmin kokonaisuus ymmärrettiin sen osien summana, niin kvanttiteoria paljasti hiukkasen ominaisuuksien riippuvuuden järjestelmästä, johon se sisältyy. Kognitiivisen prosessin klassinen ymmärrys yhdistettiin aineellisen esineen tuntemiseen sellaisenaan. Kvanttiteoria osoitti objektia koskevan tiedon riippuvuuden tutkimusmenetelmistä. Jos klassinen teoria väitti olevansa täydellinen, niin kvanttiteoria avautui alusta alkaen epätäydellisenä useiden hypoteesien perusteella, joiden merkitys oli aluksi kaukana selvästä, ja siksi sen pääsäännökset saivat erilaisia tulkintoja, erilaisia tulkintoja. .
Erimielisyydet syntyivät ensisijaisesti mikrohiukkasten kaksinaisuuden fyysisestä merkityksestä. De Broglie esitti ensin pilottiaallon käsitteen, jonka mukaan aalto ja hiukkanen esiintyvät rinnakkain, aalto johtaa hiukkasta. Todellinen materiaalimuodostelma, joka säilyttää stabiilisuutensa, on hiukkanen, koska sillä on energiaa ja liikemäärää. Hiukkasta kuljettava aalto ohjaa hiukkasen liikkeen luonnetta. Aallon amplitudi kussakin avaruuden pisteessä määrittää todennäköisyyden paikantaa hiukkanen lähellä tätä pistettä. Schrödinger ratkaisee olennaisesti hiukkasten kaksinaisuuden ongelman poistamalla sen. Hänelle hiukkanen toimii puhtaasti aaltomuodostelmana. Toisin sanoen hiukkanen on aallon paikka, johon aallon suurin energia on keskittynyt. De Broglien ja Schrödingerin tulkinnat olivat pohjimmiltaan yrityksiä luoda visuaalisia malleja klassisen fysiikan hengessä. Tämä osoittautui kuitenkin mahdottomaksi.
Heisenberg ehdotti kvanttiteorian tulkintaa, joka perustuu (kuten aiemmin esitettiin) siihen tosiasiaan, että fysiikan tulisi käyttää vain mittauksiin perustuvia käsitteitä ja suureita. Siksi Heisenberg hylkäsi elektronin liikkeen visuaalisen esityksen atomissa. Makrolaitteet eivät pysty kuvaamaan hiukkasen liikettä samalla kun ne tallentavat liikemäärää ja koordinaatteja (eli klassisessa mielessä), koska laitteen ja hiukkasen vuorovaikutus on pohjimmiltaan epätäydellinen hallittavuus - epävarmuussuhteen vuoksi liikemäärän mittaaminen ei tee sitä mahdollista määrittää koordinaatit ja päinvastoin. Toisin sanoen mittausten perustavanlaatuisesta epätarkkuudesta johtuen teorian ennusteet voivat olla luonteeltaan vain todennäköisyyksiä, ja todennäköisyys on seurausta hiukkasen liikettä koskevan tiedon perustavanlaatuisesta epätäydellisyydestä. Tämä seikka johti johtopäätökseen kausaalisuuden periaatteen romahtamisesta klassisessa mielessä, mikä edellytti liikemäärän ja koordinaattien tarkkojen arvojen ennustamista. Kvanttiteorian puitteissa ei siis puhuta havainnoinnin tai kokeen virheistä, vaan perustavanlaatuisesta tiedon puutteesta, joka ilmaistaan todennäköisyysfunktiolla.
Heisenbergin kvanttiteorian tulkinnan kehitti Bohr, ja siitä tuli tunnetuksi Kööpenhaminan tulkinta. Tämän tulkinnan puitteissa kvanttiteorian pääasento on komplementaarisuuden periaate, joka tarkoittaa vaatimusta käyttää toisensa poissulkevia käsitteiden, instrumenttien ja tutkimusmenetelmien luokkia, joita käytetään tietyissä olosuhteissa ja jotka täydentävät toisiaan saadakseen. kokonaiskuva tutkittavasta kohteesta kognitioprosessissa. Tämä periaate muistuttaa Heisenbergin epävarmuussuhdetta. Jos puhumme vauhdin ja koordinaattien määrittelystä toisensa poissulkeviksi ja täydentäviksi tutkimusmenetelmiksi, niin näiden periaatteiden tunnistamiselle on aihetta. Täydentävyysperiaatteen merkitys on kuitenkin laajempi kuin epävarmuussuhteet. Selittääkseen atomin stabiiliutta Bohr yhdisti klassisen ja kvanttikäsitteen elektronien liikkeestä yhteen malliin. Täydentävyysperiaate salli siis klassisten ideoiden täydentämisen kvanttiajattelulla. Todettuaan valon aallon ja korpuskulaaristen ominaisuuksien vastakohdan eikä löytänyt niiden yhtenäisyyttä, Bohr oli taipuvainen pohtimaan kahta toisiaan vastaavaa kuvausmenetelmää - aalto- ja korpuskulaarista - niiden myöhemmällä yhdistelmällä. On siis tarkempaa sanoa, että komplementaarisuuden periaate on koordinaatin ja liikemäärän välistä suhdetta ilmaisevan epävarmuussuhteen kehitys.
Useat tiedemiehet ovat tulkinneet klassisen determinismin periaatteen rikkomisen kvanttiteorian puitteissa indeternismin hyväksi. Todellisuudessa tässä determinismin periaate muutti muotoaan. Klassisen fysiikan puitteissa, jos järjestelmän alkuhetkellä tiedetään järjestelmän elementtien sijainnit ja liiketila, on mahdollista täysin ennustaa sen sijainti milloin tahansa tulevalla ajanhetkellä. Kaikki makroskooppiset järjestelmät olivat tämän periaatteen alaisia. Jopa tapauksissa, joissa oli tarpeen ottaa käyttöön todennäköisyyksiä, oletettiin aina, että kaikki alkeisprosessit olivat tiukasti deterministisiä ja että vain niiden suuri määrä ja epäjärjestynyt käyttäytyminen pakotti kääntymään tilastollisiin menetelmiin. Kvanttiteoriassa tilanne on pohjimmiltaan erilainen. Deterternisoinnin periaatteiden toteuttamiseksi on tiedettävä koordinaatit ja momentit, ja tämän kieltää epävarmuussuhde. Todennäköisyyksien käytöllä on tässä eri merkitys verrattuna tilastomekaniikkaan: jos tilastomekaniikassa todennäköisyyksiä käytettiin kuvaamaan laajamittaisia ilmiöitä, niin kvanttiteoriassa todennäköisyydet päinvastoin otetaan käyttöön kuvaamaan itse alkeisprosesseja. Kaikki tämä tarkoittaa, että suuren mittakaavan kappaleiden maailmassa toimii dynaaminen kausaalisuuden periaate ja mikromaailmassa - kausaalisuuden todennäköisyysperiaate.
Kööpenhaminan tulkinta edellyttää toisaalta kokeiden kuvausta klassisen fysiikan näkökulmasta ja toisaalta näiden käsitteiden tunnustamista epätarkasti vastaaviksi todellista asioiden tilaa. Juuri tämä epäjohdonmukaisuus määrää kvanttiteorian todennäköisyyden. Klassisen fysiikan käsitteet ovat tärkeä osa luonnollista kieltä. Jos emme käytä näitä käsitteitä kuvaamaan tekemiämme kokeita, emme voi ymmärtää toisiamme.
Klassisen fysiikan ihanne on tiedon täydellinen objektiivisuus. Mutta kognitiossa käytämme instrumentteja, ja siten, kuten Heinserberg sanoo, subjektiivinen elementti tuodaan atomiprosessien kuvaukseen, koska instrumentin on luonut tarkkailija. "Meidän on muistettava, että se, mitä me havainnoimme, ei ole luontoa itseään, vaan luontoa sellaisena kuin se ilmenee tapamme esittää kysymyksiä Fysiikan tieteellisenä työnä on esittää käyttämämme kielelle luontoa koskevia kysymyksiä ja yrittää saada vastausta kokeessa Käytössämme olevien keinojen avulla muistutamme samalla Bohrin sanat kvanttiteoriasta: jos etsimme harmoniaa elämässä, emme saa koskaan unohtaa, että olemme elämän pelissä. Samalla katsojat ja osallistujat on selvää, että tieteellisessä suhteessamme luontoon tulee tärkeäksi oma toimintamme siellä, missä joudumme käsittelemään luonnon alueita, joihin pääsemme läpi vain tärkeimmät tekniset keinot.
Myös klassisten tilan ja ajan käsitteiden käyttäminen atomiilmiöiden kuvaamiseen osoittautui mahdottomaksi. Tässä on mitä toinen kvanttiteorian luoja kirjoitti tästä: "Toimintakvantin olemassaolo on paljastanut täysin odottamattoman yhteyden geometrian ja dynamiikan välillä: käy ilmi, että mahdollisuus lokalisoida fyysisiä prosesseja geometrisessa avaruudessa riippuu niiden dynaamisesta tilasta. Yleinen suhteellisuusteoria on jo opettanut meidät tarkastelemaan aika-avaruuden paikallisia ominaisuuksia riippuen aineen jakautumisesta universumissa. Kvanttien olemassaolo vaatii kuitenkin paljon syvempää muutosta, eikä se enää salli a:n liikettä fyysinen objekti tietyllä aika-avaruuden linjalla (maailman viiva) ei ole enää mahdollista määrittää sen peräkkäisiä paikkoja avaruudessa kuvaavan käyrän perusteella dynaaminen tila ei ole seurausta tila-ajallisesta lokalisoinnista, vaan fyysisen todellisuuden itsenäisenä ja lisänä."
Keskustelut kvanttiteorian tulkintaongelmasta paljastivat kysymyksen kvanttiteorian asemasta - onko se täydellinen teoria mikrohiukkasten liikkeestä. Kysymyksen muotoili ensimmäisenä tällä tavalla Einstein. Hänen asemansa ilmaistiin piilotettujen parametrien käsitteellä. Einstein lähti kvanttiteorian ymmärtämisestä tilastollisena teoriana, joka kuvaa malleja, jotka eivät liity yksittäisen hiukkasen, vaan niiden kokonaisuuden käyttäytymiseen. Jokainen hiukkanen on aina tiukasti lokalisoitu ja sillä on samanaikaisesti tietyt liikemäärän ja koordinaattien arvot. Epävarmuussuhde ei heijasta todellisuuden todellista rakennetta mikroprosessien tasolla, vaan kvanttiteorian epätäydellisyyttä - sen tasolla meillä ei vain ole kykyä mitata liikemäärää ja koordinoida samanaikaisesti, vaikka ne ovatkin olemassa, mutta piilotetut parametrit (piilotettu kvanttiteorian puitteissa). Einstein piti aaltofunktiota käyttävän hiukkasen tilan kuvausta epätäydellisenä ja esitti siksi kvanttiteorian epätäydellisen teorian mikropartikkelin liiketoiminnasta.
Bohr otti tässä keskustelussa päinvastaisen kannan, joka perustui siihen, että mikropartikkelin dynaamisten parametrien objektiivinen epävarmuus tunnustettiin syyksi kvanttiteorian tilastolliseen luonteeseen. Hänen mielestään Einsteinin objektiivisesti epävarmien suureiden olemassaolon kieltäminen jättää mikrohiukkaselle ominaiset aaltopiirteet selittämättömiksi. Bohr piti paluuta klassisiin mikrohiukkasten liikkeen käsitteisiin mahdottomaksi.
50-luvulla 1900-luvulla D. Bohm palasi de Broglien pilottiaallon käsitteeseen esittäen psi-aallon todellisena hiukkaseen liittyvänä kenttänä. Kööpenhaminalaisen kvanttiteorian tulkinnan kannattajat ja jopa osa sen vastustajista eivät tukeneet Bohmin kantaa, mutta se vaikutti osaltaan de Broglien käsitteen syventämiseen: hiukkasta alettiin pitää erityisenä muodostumana, joka syntyy ja liikkuu psi-kenttä, mutta säilyttää yksilöllisyytensä. Tämän konseptin kehittäneiden P. Vigierin ja L. Janosin työt ovat monet fyysikot arvioineet liian "klassisiksi".
Neuvostoajan kotimaisessa filosofisessa kirjallisuudessa kvanttiteorian Kööpenhaminan tulkintaa kritisoitiin sen "sitoutumisesta positivistisiin asenteisiin" kognitioprosessin tulkinnassa. Useat kirjoittajat puolustivat kuitenkin Kööpenhaminan kvanttiteorian tulkinnan pätevyyttä. Klassisen tieteellisen tiedon ihanteen korvaamiseen ei-klassisella liittyi ymmärrys, että havainnoijaa, joka yrittää rakentaa esineen kuvan, ei voida kääntää pois mittausmenettelystä, ts. tutkija ei pysty mittaamaan tutkittavan kohteen parametreja sellaisina kuin ne olivat ennen mittausta. W. Heisenberg, E. Schrödinger ja P. Dirac asettivat kvanttiteorian perustaksi epävarmuusperiaatteen, jonka puitteissa hiukkasilla ei enää ollut määrättyä ja itsenäistä liikemäärää ja koordinaatteja. Näin ollen kvanttiteoria toi tieteeseen arvaamattomuuden ja satunnaisuuden elementin. Ja vaikka Einstein ei voinut olla samaa mieltä tästä, kvanttimekaniikka oli yhdenmukainen kokeen kanssa, ja siksi siitä tuli monien tietoalojen perusta.
Alla on kevyt muistutus, että on olemassa "tarkkailijaefekti", ja ote kirjasta, joka siirtää tietoisuuden prioriteetin periaatteen kvanttifysiikasta manifestoituneelle tasolle.
"Elämäsi on siellä, missä huomiosi on."
Fyysikot monissa laboratorioissa ympäri maailmaa ovat kokeellisesti todistaneet tämän postulaatin, vaikka se kuulostaa kuinka oudolta.Se saattaa kuulostaa nyt epätavalliselta, mutta kvanttifysiikka on alkanut todistaa antiikin totuuden: "Elämäsi on siellä, missä huomiosi on." Erityisesti se, että ihminen huomiollaan vaikuttaa ympäröivään aineelliseen maailmaan, määrää ennalta sen todellisuuden, jonka hän havaitsee.
Alusta alkaen kvanttifysiikka alkoi radikaalisti muuttaa ajatusta mikromaailmasta ja ihmisestä alkaen 1800-luvun jälkipuoliskolla William Hamiltonin lausunnolla valon aaltomaisesta luonteesta ja jatkuen edistyneillä. nykyajan tutkijoiden löydöt. Kvanttifysiikassa on jo paljon todisteita siitä, että mikromaailma ”elää” täysin erilaisten fysiikan lakien mukaan, että nanohiukkasten ominaisuudet poikkeavat ihmiselle tutusta maailmasta, että alkuainehiukkaset ovat vuorovaikutuksessa sen kanssa erityisellä tavalla.
Klaus Jenson sai 1900-luvun puolivälissä kokeiden aikana mielenkiintoisen tuloksen: fysikaalisissa kokeissa subatomiset hiukkaset ja fotonit reagoivat tarkasti ihmisen huomioon, mikä johti erilaisiin lopputuloksiin. Toisin sanoen nanohiukkaset reagoivat siihen, mihin tutkijat keskittyivät sillä hetkellä. Joka kerta tämä kokeilu, josta on tullut jo klassikko, yllättää tutkijat. Se on toistettu monta kertaa monissa laboratorioissa ympäri maailmaa, ja joka kerta tämän kokeen tulokset ovat identtiset, mikä vahvistaa sen tieteellisen arvon ja luotettavuuden.
Joten tätä koetta varten valmistele valonlähde ja näyttö (fotoneille läpäisemätön levy), jossa on kaksi rakoa. Laite, joka on valonlähde, "ammuttaa" fotoneja yksittäisinä pulsseina.
Kuva 1.
Erityisen valokuvapaperin eteen asetettiin erityinen näyttö, jossa oli kaksi rakoa. Kuten odotettiin, valokuvapaperille ilmestyi kaksi pystysuoraa raitaa – jälkiä fotoneista, jotka valaisivat paperia, kun ne kulkivat näiden rakojen läpi. Luonnollisesti kokeen etenemistä seurattiin.
Kuva 2.
Kun tutkija käynnisti laitteen ja lähti hetkeksi palatessaan laboratorioon, hän oli uskomattoman yllättynyt: valokuvapaperille fotonit jättivät täysin erilaisen kuvan - kahden pystysuoran raidan sijasta niitä oli paljon.
Kuva 3.
Miten tämä voi tapahtua? Paperille jääneet jäljet olivat tyypillisiä halkeamien läpi kulkevalle aallolle. Toisin sanoen havaittiin häiriökuvio.
Kuva 4.
Yksinkertainen koe fotoneilla osoitti, että aalto havainnoituna (ilmaisinlaitteen tai tarkkailijan läsnäollessa) muuttuu hiukkastilaan ja käyttäytyy kuin hiukkanen, mutta tarkkailijan puuttuessa käyttäytyy aallon tavoin. Kävi ilmi, että jos et tee havaintoja tässä kokeessa, valokuvapaperi näyttää jälkiä aalloista, eli häiriökuvio on näkyvissä. Tätä fyysistä ilmiötä kutsuttiin "tarkkailijaefektiksi".
Yllä kuvattu partikkelikoe pätee myös kysymykseen "Onko Jumalaa?" Sillä jos Tarkkailijan valppaalla huomiolla jokin, jolla on aaltoluonteinen, voi jäädä aineen tilaan, reagoida ja muuttaa ominaisuuksiaan, niin kuka tarkkailee huolellisesti koko universumia? Kuka pitää huomiollaan kaiken aineen vakaassa tilassa Heti kun ihmisellä on havainnossaan oletus, että hän voi elää laadullisesti erilaisessa maailmassa (esimerkiksi Jumalan maailmassa), hän, ihminen, vain silloin? , alkaa muuttaa kehitysvektoriaan tällä puolella, ja mahdollisuudet selviytyä tästä kokemuksesta kasvavat moninkertaisesti. Eli riittää, että myönnät itsellesi tällaisen todellisuuden mahdollisuuden. Näin ollen heti kun henkilö hyväksyy mahdollisuuden hankkia tällaista kokemusta, hän itse asiassa alkaa hankkia sitä. Tämä vahvistetaan Anastasia Novykhin kirjassa "AllatRa":
”Kaikki riippuu Tarkkailijasta itsestään: jos ihminen näkee itsensä hiukkasena (aineellisen maailman lakien mukaan elävä aineellinen esine), hän näkee ja havaitsee aineen maailman; jos ihminen näkee itsensä aaltona (aistikokemukset, laajennettu tietoisuustila), silloin hän havaitsee Jumalan maailman ja alkaa ymmärtää sitä, elää sen mukaan."
Yllä kuvatussa kokeessa havainnoija vaikuttaa väistämättä kokeen kulkuun ja tuloksiin. Eli esiin tulee erittäin tärkeä periaate: on mahdotonta tarkkailla, mitata ja analysoida järjestelmää olematta vuorovaikutuksessa sen kanssa. Siellä missä on vuorovaikutusta, ominaisuudet muuttuvat.
Viisaat sanovat, että Jumala on kaikkialla. Vahvistavatko nanohiukkasten havainnot tämän väitteen? Eivätkö nämä kokeet vahvista, että koko aineellinen universumi on vuorovaikutuksessa Hänen kanssaan samalla tavalla kuin esimerkiksi Tarkkailija on vuorovaikutuksessa fotonien kanssa? Eikö tämä kokemus osoita, että kaikki, mihin Tarkkailijan huomio kohdistuu, on hänen läpäisevää? Kvanttifysiikan ja "tarkkailijaefektin" periaatteen näkökulmasta tämä onkin väistämätöntä, koska vuorovaikutuksen aikana kvanttijärjestelmä menettää alkuperäiset piirteensä muuttuen suuremman järjestelmän vaikutuksesta. Eli molemmat järjestelmät, jotka vaihtavat keskenään energiaa ja tietoa, muokkaavat toisiaan.
Jos kehitämme tätä kysymystä edelleen, käy ilmi, että Tarkkailija määrittää ennalta sen todellisuuden, jossa hän sitten elää. Tämä ilmenee hänen valinnastaan. Kvanttifysiikassa on käsite useista todellisuuksista, jolloin tarkkailija kohtaa tuhansia mahdollisia todellisuuksia, kunnes hän tekee lopullisen valintansa, jolloin hän valitsee vain yhden todellisuuksista. Ja kun hän valitsee itselleen oman todellisuutensa, hän keskittyy siihen, ja se ilmenee hänelle (vai hänelle?).
Ja taas, kun otetaan huomioon se tosiasia, että ihminen elää todellisuudessa, jota hän itse tukee huomiollaan, tulemme samaan kysymykseen: jos kaikki maailmankaikkeuden aine lepää huomiolla, niin kuka pitää universumin itsellään huomiollaan? Eikö tämä postulaatti todista Jumalan olemassaoloa, Häntä, joka voi pohtia koko kuvaa?
Eikö tämä osoita, että mielemme on suoraan mukana aineellisen maailman toiminnassa? Wolfgang Pauli, yksi kvanttimekaniikan perustajista, sanoi kerran: Fysiikan ja tietoisuuden lait on nähtävä toisiaan täydentävinä" On turvallista sanoa, että herra Pauli oli oikeassa. Tämä on jo hyvin lähellä maailmanlaajuista tunnustamista: aineellinen maailma on mielemme illusorinen heijastus, ja se, mitä näemme silmillämme, ei ole todellisuutta. Mikä sitten on todellisuus? Missä se sijaitsee ja miten löydän sen?
Yhä useammat tutkijat ovat taipuvaisia uskomaan, että myös ihmisen ajattelu on pahamaineisten kvanttivaikutusten prosessien alainen. Elää mielen piirtämässä illuusiossa tai löytää todellisuus itse - tämän jokainen valitsee itselleen. Voimme vain suositella, että luet yllä lainatun AllatRa-kirjan. Tämä kirja ei ainoastaan todista tieteellisesti Jumalan olemassaoloa, vaan tarjoaa myös yksityiskohtaisia selityksiä kaikista olemassa olevista todellisuuksista, ulottuvuuksista ja jopa paljastaa ihmisen energiarakenteen rakenteen. Voit ladata tämän kirjan täysin ilmaiseksi verkkosivuiltamme napsauttamalla alla olevaa lainausta tai siirtymällä sivuston asianmukaiseen osioon.
"Jokainen, joka ei ollut järkyttynyt, kun hän kohtasi ensimmäisen kerran kvanttiteorian, ei luultavasti vain ymmärtänyt." Niels Bohr
Kvanttiteorian lähtökohdat ovat niin upeita, että se näyttää enemmän tieteiskirjallisuudesta.
Mikromaailman hiukkanen voi olla kahdessa tai useammassa paikassa samaan aikaan!
(Yksi aivan äskettäin tehty koe osoitti, että yksi näistä hiukkasista voi olla 3000 paikassa samaan aikaan!)
Sama "objekti" voi olla sekä paikallinen hiukkanen että avaruudessa etenevä energiaaalto.
Einstein väitti, että mikään ei voi kulkea valon nopeutta nopeammin. Mutta kvanttifysiikka on osoittanut: subatomiset hiukkaset voivat vaihtaa tietoja välittömästi - sijaitsevat millä tahansa etäisyydellä toisistaan.
Klassinen fysiikka oli determinististä: lähtöolosuhteet, kuten kohteen sijainti ja nopeus, voimme laskea, minne se menee. Kvanttifysiikka on todennäköisyyttä: emme voi koskaan sanoa täydellisellä varmuudella, kuinka tutkittava kohde käyttäytyy.
Klassinen fysiikka oli mekanistista. Se perustuu oletukseen, että vain tuntemalla esineen yksittäiset osat voimme lopulta ymmärtää, mikä se on.
Kvanttifysiikka on kokonaisvaltaista: se maalaa kuvan universumista yhtenä kokonaisuutena, jonka osat ovat yhteydessä toisiinsa ja vaikuttavat toisiinsa.
Ja mikä ehkä tärkeintä, kvanttifysiikka tuhosi ajatuksen subjektin tai kohteen, havainnoinnin ja havainnon välisestä perustavanlaatuisesta erosta - joka oli hallinnut tieteellisiä mieliä 400 vuoden ajan!
Kvarttifysiikassa havainnoija vaikuttaa havaittuun kohteeseen. Mekaanisen maailmankaikkeuden yksittäisiä tarkkailijoita ei ole - kaikki osallistuu sen olemassaoloon.
SHOCK #1 - TYHJÄ TILA
Yksi ensimmäisistä halkeamista Newtonin fysiikan kiinteään rakenteeseen tehtiin seuraavalla löydöllä: atomit ovat fyysisen maailmankaikkeuden kiinteitä rakennuspalikoita! - koostuu pääasiassa tyhjästä tilasta. Kuinka tyhjä? Jos vetyatomin ydin suurennetaan koripallon kokoiseksi, ainoa sitä kiertävä elektroni olisi kolmenkymmenen kilometrin päässä, eikä ytimen ja elektronin välissä olisi mitään. Joten kun katsot ympärillesi, muista: todellisuus on aineen pienimmät pisteet, joita ympäröi tyhjyys.
Tämä ei kuitenkaan ole täysin totta. Tämä oletettu "tyhjyys" ei itse asiassa ole tyhjä: se sisältää valtavan määrän uskomattoman voimakasta energiaa. Tiedämme, että energia tiivistyy, kun se siirtyy alemmalle ainetasolle (esimerkiksi ydinenergia on miljoona kertaa tehokkaampi kuin kemiallinen energia). Tiedemiehet sanovat nyt, että yhdessä kuutiosenttimetrissä tyhjää tilaa on enemmän energiaa kuin tunnetun universumin kaikessa aineessa. Vaikka tiedemiehet eivät ole pystyneet mittaamaan sitä, he näkevät tämän energiameren tuloksia.
SHOCK #2 - HIUKKA, AALTO VAI AALTOHIUKKA?
Atomi ei vain koostu lähes kokonaan "avaruudesta", mutta kun tiedemiehet tutkivat sitä tarkemmin, he havaitsivat, että subatomiset (atomin muodostavat) hiukkaset eivät myöskään ole kiinteitä. Ja heillä näyttää olevan kaksinainen luonne. Riippuen siitä, kuinka havainnoimme niitä, ne voivat käyttäytyä joko kiinteinä mikro-aineina tai aaltoina.
Hiukkaset ovat yksittäisiä kiinteitä esineitä, jotka ovat tietyssä paikassa avaruudessa. Mutta aalloilla ei ole "runkoa", ne eivät ole paikallisia eivätkä leviä avaruudessa.
Aallona elektronilla tai fotonilla (valohiukkasella) ei ole tarkkaa sijaintia, vaan se on olemassa "todennäköisyyksien kenttänä". Partikkelitilassa todennäköisyyskenttä "kutistuu" (kutistuu) kiinteäksi esineeksi. Sen koordinaatit neliulotteisessa aika-avaruudessa voidaan jo määrittää.
Tämä on yllättävää, mutta hiukkasen (aallon tai kiinteän esineen) tila määräytyy havainnoinnin ja mittauksen avulla. Mittaamattomat ja havaitsemattomat elektronit käyttäytyvät kuin aallot. Heti kun kohdistamme ne havainnointiin kokeen aikana, ne "kutistuvat" kiinteiksi hiukkasiksi ja voidaan tallentaa avaruuteen.
Mutta kuinka jokin voi olla samanaikaisesti sekä kiinteää hiukkasta että nesteaaltoa? Ehkä paradoksi ratkeaa, jos muistamme, mitä sanoimme äskettäin: hiukkaset käyttäytyvät kuin aallot tai kiinteät esineet. Mutta käsitteet "aalto" ja "hiukkanen" ovat vain analogioita jokapäiväisestä maailmastamme. Erwin Schrödinger esitteli aallon käsitteen kvanttiteoriassa. Hän on kuuluisan "aaltoyhtälön" kirjoittaja, joka vahvistaa matemaattisesti aaltoominaisuuksien olemassaolon kiinteässä hiukkasessa ennen havainnointia. Jotkut fyysikot - yrittäessään selittää jotain, jota he eivät ole koskaan kohdanneet ja eivät voi täysin ymmärtää - kutsuvat subatomisia hiukkasia "aaltohiukkasiksi".
SHOKKI #3 - KVANTTILOPKOJA JA TODENNÄKÖISYYS
Tutkiessaan atomia tiedemiehet havaitsivat, että kun elektronit, jotka pyörivät ytimen ympäri, liikkuvat kiertoradalta kiertoradalle, ne eivät liiku avaruudessa kuten tavalliset esineet. Ei, ne kattavat etäisyyden välittömästi. Eli ne katoavat yhdessä paikassa ja ilmestyvät toiseen. Tätä ilmiötä kutsuttiin kvanttihyppyksi.
Lisäksi tiedemiehet ymmärsivät, etteivät he pystyneet määrittämään tarkasti, missä uudella kiertoradalla puuttuva elektroni ilmestyisi tai millä hetkellä se hyppää. Enintä mitä he pystyivät tekemään, oli laskea (Schrödingerin aaltoyhtälön perusteella) elektronin uuden sijainnin todennäköisyys.
"Todellisuus sellaisena kuin me sen koemme, syntyy joka hetki lukemattomien mahdollisuuksien joukossa", sanoo tohtori Satinover. "Mutta todellinen salaisuus on, että fyysisessä universumissa ei ole mitään, mikä määrää, mikä mahdollisuus tästä kokonaisuudesta toteutuu. Ei ole olemassa prosessia, joka vahvistaisi sen."
Näin ollen kvanttihypyt ovat ainoat todella satunnaiset tapahtumat universumissa.
SOKKI #4 – EPÄVARMUUSTEKIJÄN PERIAATE
Klassisessa fysiikassa kaikki kohteen parametrit, mukaan lukien sen tilakoordinaatit ja nopeus, voidaan mitata vain kokeellisten teknologioiden kykyjen rajoittamalla tarkkuudella. Mutta kvanttitasolla aina kun määrität kohteen yhden kvantitatiivisen ominaisuuden, kuten nopeuden, et voi saada tarkkoja arvoja sen muille parametreille, kuten koordinaateille. Toisin sanoen: jos tiedät kuinka nopeasti esine liikkuu, et voi tietää missä se on. Ja päinvastoin: jos tiedät missä se on, et voi tietää kuinka nopeasti se liikkuu.
Huolimatta siitä, kuinka kehittyneitä kokeilijat ovat, riippumatta siitä, kuinka kehittyneitä mittaustekniikoita he käyttävät, he eivät pysty katsomaan tämän verhon taakse.
Werner Heisenberg, yksi kvanttifysiikan pioneereista, muotoili epävarmuusperiaatteen. Sen olemus on tämä: vaikka kuinka yrität, on samanaikaisesti mahdotonta saada tarkkoja arvoja kvanttiobjektin koordinaateista ja nopeudesta. Mitä tarkempia saavutetaan mittaamalla yhtä parametria, sitä epävarmemmaksi toinen muuttuu.
SHOCK #5 - EI-LOKAALISUUS, EPR-PARADOKSI JA BELLIN LAUSE
Albert Einstein ei pitänyt kvanttifysiikasta. Arvioidessaan kvanttifysiikassa hahmoteltujen subatomisten prosessien todennäköisyyttä, hän sanoi: "Jumala ei pelaa noppaa universumin kanssa." Mutta Niels Bohr vastasi hänelle: "Lopeta opettamaan Jumalaa, mitä tehdä!"
Vuonna 1935 Einstein ja hänen kollegansa Podolsky ja Rosen (EPR) yrittivät kukistaa kvanttiteorian. Kvanttimekaniikan periaatteisiin perustuvat tutkijat suorittivat ajatuskokeen ja päätyivät paradoksaaliseen johtopäätökseen. (Hänen piti osoittaa kvanttiteorian alemmuus). Heidän ajatustensa ydin on tämä. Jos meillä on kaksi hiukkasta, jotka ilmestyivät samanaikaisesti, tämä tarkoittaa, että ne ovat yhteydessä toisiinsa tai ovat superpositiossa. Lähetetään ne universumin eri päihin. Sitten muutamme yhden hiukkasen tilaa. Sitten kvanttiteorian mukaan toinen hiukkanen tulee välittömästi samaan tilaan. Välittömästi! Universumin toisella reunalla!
Tällainen ajatus oli niin naurettava, että Einstein kutsui sitä sarkastisesti "yliluonnolliseksi toiminnaksi etänä". Hänen suhteellisuusteoriansa mukaan mikään ei voi kulkea valoa nopeammin. Ja EPR-kokeessa kävi ilmi, että hiukkasten välisen tiedonvaihdon nopeus on ääretön! Lisäksi ajatus siitä, että elektroni voisi "seurata" toisen elektronin tilaa universumin vastakkaisella reunalla, oli täysin ristiriidassa yleisesti hyväksyttyjen todellisuuksien ja jopa terveen järjen kanssa.
Mutta vuonna 1964 irlantilainen teoreettinen fyysikko John Bell muotoili ja todisti lauseen, josta se seurasi: EPR-ajatuskokeen "naurettavat" johtopäätökset ovat totta!
Hiukkaset ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa ajan ja tilan ylittävällä tasolla. Siksi he pystyvät vaihtamaan tietoja välittömästi.
Ajatus siitä, että mikä tahansa esine universumissa on paikallinen - ts. on olemassa yhdessä paikassa (pisteessä) avaruudessa - ei totta. Kaikki tässä maailmassa on ei-paikallista.
Tästä huolimatta tämä ilmiö on voimassa oleva maailmankaikkeuden laki. Schrödinger sanoi, että esineiden välinen suhde ei ole kvanttiteorian ainoa kiinnostava puoli, mutta se on tärkein. Vuonna 1975 teoreettinen fyysikko Henry Stapp kutsui Bellin lausetta "tieteen merkittävimmäksi löydökseksi". Huomaa, että hän puhui tieteestä, ei vain fysiikasta.
(Artikkeli on laadittu W. Arntzin, B. Chacen, M. Vicenten kirjan ”The Rabbit Hole, or what we know its and the Universe?” luvun ”Kvanttifysiikka” materiaalien pohjalta.)
Vuonna 1935, kun kvanttimekaniikka ja Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria olivat hyvin nuoria, ei niin kuuluisa Neuvostoliiton fyysikko Matvei Bronstein teki 28-vuotiaana ensimmäisen yksityiskohtaisen tutkimuksen näiden kahden teorian yhteensovittamisesta kvanttiteoriassa. painovoima. Tämä "ehkä koko maailman teoria", kuten Bronstein kirjoitti, voisi syrjäyttää Einsteinin klassisen kuvauksen painovoimasta, jossa se nähdään käyrinä aika-avaruuden jatkumossa, ja kirjoittaa sen kvanttikielellä, kuten muu fysiikka.
Bronstein keksi kuinka kuvata gravitaatiota kvantisoiduilla hiukkasilla, joita nykyään kutsutaan gravitoneiksi, mutta vain silloin, kun painovoima on heikko - eli (yleisessä suhteellisuusteoriassa), kun aika-avaruus on niin vähän kaareva, että se on olennaisesti tasainen. Kun painovoima on vahva, "tilanne on täysin erilainen", tutkija kirjoitti. "Ilman perinteisten käsitteiden perusteellista tarkistamista on melkein mahdotonta kuvitella painovoiman kvanttiteoriaa tällä alueella."
Hänen sanansa olivat profeetallisia. Kahdeksankymmentäkolme vuotta myöhemmin fyysikot yrittävät edelleen ymmärtää, kuinka aika-avaruuden kaarevuus ilmenee makroskooppisissa mittakaavassa, mikä johtuu perustavanlaatuisemmasta ja oletettavasti kvanttikuvasta painovoimasta; Tämä on ehkä fysiikan syvin kysymys. Ehkä, jos olisi mahdollisuus, Bronsteinin kirkas mieli nopeuttaisi tämän etsintäprosessia. Kvanttigravitaation lisäksi hän osallistui myös astrofysiikkaan ja kosmologiaan, puolijohdeteoriaan, kvanttielektrodynamiikkaan ja kirjoitti useita kirjoja lapsille. Vuonna 1938 hän joutui Stalinin sortotoimiin ja teloitettiin 31-vuotiaana.
Täydellisen kvanttigravitaation teorian etsimistä vaikeuttaa se tosiasia, että painovoiman kvanttiominaisuudet eivät koskaan ilmene todellisessa kokemuksessa. Fyysikot eivät ymmärrä, kuinka Einsteinin kuvausta tasaisesta tila-aikajatkunnosta tai Bronsteinin kvanttiapproksimaatiota siitä hieman kaarevassa tilassa rikotaan.
Ongelmana on painovoiman äärimmäinen heikkous. Vahvoja, heikkoja ja sähkömagneettisia voimia välittävät kvantisoidut hiukkaset ovat niin vahvoja, että ne sitovat tiukasti aineen atomeiksi ja niitä voidaan tutkia kirjaimellisesti suurennuslasin alla, mutta yksittäiset gravitonit ovat niin heikkoja, ettei laboratorioilla ole mahdollisuutta havaita niitä. Jotta gravitonin kiinniotto todennäköisyys olisi suuri, hiukkasilmaisimen tulisi olla niin suuri ja massiivinen, että se romahtaa mustaksi aukoksi. Tämä heikkous selittää, miksi tähtitieteellisiä massan kertymiä tarvitaan vaikuttamaan muihin massiivisiin kappaleisiin painovoiman avulla ja miksi näemme gravitaatiovaikutuksia valtavissa mittakaavassa.
Ei siinä kaikki. Universumi näyttää olevan jonkinlaisen kosmisen sensuurin alainen: voimakkaan painovoiman alueet – joissa aika-avaruuskäyrät ovat niin teräviä, että Einsteinin yhtälöt hajoavat ja painovoiman ja aika-avaruuden kvanttiluonne on paljastettava – väijyvät aina mustien aukkojen horisonttien takana.
"Jo muutama vuosi sitten vallitsi yleinen yksimielisyys siitä, että gravitaatiokentän kvantisointia on todennäköisesti mahdotonta mitata millään tavalla", sanoo teoreettinen fyysikko Igor Pikovsky Harvardin yliopistosta.
Nyt useat viimeaikaiset Physical Review Lettersissa julkaistut artikkelit ovat muuttaneet sen. Nämä paperit väittävät, että kvanttigravitaation saavuttaminen saattaa olla mahdollista – jopa tietämättä siitä mitään. Sugato Bosen University Collegesta Lontoosta ja Chiara Marletton ja Vlatko Vedralin Oxfordin yliopistosta kirjoittamassa artikkelissa ehdotetaan teknisesti haastavaa, mutta toteutettavissa olevaa koetta, joka voisi vahvistaa, että gravitaatio on kvanttivoima kuten kaikki muutkin, ilman gravitonin havaitsemista. . Miles Blencowe, Dartmouth Collegen kvanttifyysikko, joka ei osallistunut tähän työhön, sanoo, että tällainen koe voisi paljastaa näkymättömän kvanttigravitaation selkeän tunnusmerkin - "Cheshiren kissan hymyn".
Ehdotettu koe määrittää, voivatko kaksi esinettä - Bosen ryhmä aikoo käyttää mikrotimantteja - kietoutua kvanttimekaanisesti toisiinsa molemminpuolisen painovoiman vaikutuksesta. Kietoutuminen on kvanttiilmiö, jossa hiukkaset kietoutuvat erottamattomasti yhteen ja jakavat yhden fyysisen kuvauksen, joka määrittelee niiden mahdolliset yhdistetyt tilat. (Eri mahdollisten tilojen rinnakkaiseloa kutsutaan "superpositioksi" ja se määrittelee kvanttijärjestelmän.) Esimerkiksi kietoutuneiden hiukkasten pari voi esiintyä superpositiossa, jossa hiukkasella A on 50 %:n todennäköisyys pyöriä alhaalta ylös ja hiukkanen B pyörii ylhäältä alas ja 50 %:n todennäköisyydellä päinvastoin. Kukaan ei tiedä etukäteen, minkä tuloksen saat, kun mittaat hiukkasten pyörimissuuntaa, mutta voit olla varma, että se on heille sama.
Kirjoittajat väittävät, että ehdotetun kokeen kaksi kohdetta voivat sotkeutua tällä tavalla vain, jos niiden väliin vaikuttava voima - tässä tapauksessa painovoima - on gravitonien välittämä kvanttivuorovaikutus, joka voi tukea kvanttisuperpositioita. "Jos koe suoritetaan ja takertuminen saadaan, työn mukaan voimme päätellä, että painovoima on kvantisoitu", Blencowe selitti.
Hämmennä timantti
Kvanttigravitaatio on niin hienovarainen, että jotkut tutkijat ovat epäilleet sen olemassaoloa. Tunnettu matemaatikko ja fyysikko Freeman Dyson, 94, on väittänyt vuodesta 2001 lähtien, että maailmankaikkeus voisi tukea eräänlaista "dualistista" kuvausta, jossa "Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kuvaama gravitaatiokenttä olisi puhtaasti klassinen kenttä ilman kvanttikäyttäytymistä". , kun taas kaikki aine tässä tasaisessa tila-aikajatkunnossa kvantisoidaan hiukkasilla, jotka noudattavat todennäköisyyssääntöjä.
Dyson, joka auttoi kehittämään kvanttielektrodynamiikkaa (aineen ja valon välisten vuorovaikutusten teoriaa) ja on emeritusprofessori Institute for Advanced Studyssa Princetonissa, New Jerseyssä, ei usko, että kvanttigravitaatio on välttämätön mustien aukkojen saavuttamattomien sisätilojen kuvaamiseksi. . Ja hän uskoo myös, että hypoteettisen gravitonin havaitseminen voi olla periaatteessa mahdotonta. Siinä tapauksessa kvanttipainovoima olisi hänen mukaansa metafyysistä, ei fyysistä.
Hän ei ole ainoa skeptikko. Kuuluisa englantilainen fyysikko Sir Roger Penrose ja unkarilainen tiedemies Lajos Diosi ehdottivat itsenäisesti, että aika-avaruus ei voi tukea superpositioita. He uskovat, että sen sileä, jäykkä, pohjimmiltaan klassinen luonne estää sitä taipumasta kahteen mahdolliseen polkuun kerralla - ja juuri tämä jäykkyys johtaa kvanttijärjestelmien, kuten elektronien ja fotonien, superpositioiden romahtamiseen. "Gravitaatiodekoherenssi" heidän mielestään mahdollistaa yhden, kiinteän, klassisen todellisuuden, joka voidaan tuntea makroskooppisessa mittakaavassa.
Kyky löytää kvanttigravitaation "hymy" näyttäisi kumoavan Dysonin väitteen. Se myös tappaa gravitaatiodekoherenssin teorian osoittamalla, että painovoima ja aika-avaruus todella tukevat kvantti-superpositioita.
Bosen ja Marletton ehdotukset ilmestyivät samanaikaisesti ja täysin vahingossa, vaikka asiantuntijat huomauttavat, että ne heijastavat ajan henkeä. Kokeellisissa kvanttifysiikan laboratorioissa ympäri maailmaa asetetaan yhä suurempia mikroskooppisia esineitä kvantisuperpositioiksi ja optimoidaan protokollia kahden kvanttijärjestelmän kietoutumisen testaamiseksi. Ehdotetussa kokeilussa olisi yhdistettävä nämä menettelyt, mutta se vaatii lisäparannuksia mittakaavassa ja herkkyydessä. kestää ehkä kymmenen vuotta. "Mutta fyysistä umpikujaa ei ole", sanoo Pikovsky, joka myös tutkii, kuinka laboratoriokokeet voisivat tutkia gravitaatioilmiöitä. "Mielestäni se on vaikeaa, mutta ei mahdotonta."
Tämä suunnitelma on kuvattu yksityiskohtaisemmin Bose et al - Ocean's Eleven Experts for Different Stages of Proposal -työssä. Esimerkiksi laboratoriossaan Warwickin yliopistossa toinen kirjoittaja Gavin Morley työskentelee ensimmäisellä askeleella yrittäen laittaa mikrotimantin kvantti superpositioon kahdessa paikassa. Tätä varten hän rajoittaa mikrotimantissa olevan typpiatomin timanttirakenteen tyhjän paikan viereen (ns. NV-keskus tai typpisubstituoitu tyhjä paikka timantissa) ja lataa sen mikroaaltopulssilla. NV-keskuksen ympärillä pyörivä elektroni samanaikaisesti absorboi valoa ja ei, ja järjestelmä menee kahden spin-suunnan - ylös ja alas - kvantti-superpositioon, kuten huippu, joka pyörii myötäpäivään tietyllä todennäköisyydellä ja vastapäivään tietyllä todennäköisyydellä. Tällä superpositiopyörityksellä ladattu mikrotimantti altistetaan magneettikentälle, joka saa ylemmän spinin siirtymään vasemmalle ja alaspin liikkumaan oikealle. Itse timantti jakautuu kahden liikeradan superpositioon.
Täydessä kokeessa tutkijat tekisivät kaiken tämän kahdella timantilla - esimerkiksi punaisella ja sinisellä - sijoitettuna vierekkäin erittäin kylmään tyhjiöön. Kun niitä pitelevä ansa kytketään pois päältä, kaksi mikrotimanttia, jotka ovat kumpikin kahdessa asennossa, putoavat pystysuunnassa tyhjiössä. Kun timantit putoavat, ne tuntevat jokaisen painovoiman. Kuinka vahva heidän vetovoimansa on?
Jos painovoima on kvanttivoima, vastaus on: se riippuu. Sinisen timantin superposition jokainen komponentti kokee voimakkaamman tai heikomman vetovoiman punaista timanttia kohtaan riippuen siitä, onko jälkimmäinen lähempänä vai kauempana olevassa superpositiossa. Ja painovoima, jonka punaisen timantin superpositiossa jokainen komponentti tuntee, riippuu samalla tavalla sinisen timantin tilasta.
Kussakin tapauksessa eriasteinen gravitaatio vetovoima vaikuttaa timanttien superpositioiden kehittyviin komponentteihin. Nämä kaksi timanttia ovat riippuvaisia toisistaan, koska niiden tilat voidaan määrittää vain yhdessä - jos tämä tarkoittaa sitä - joten lopulta kahden NV-keskusjärjestelmän pyörimissuunnat korreloivat.
Kun mikrotimantit putoavat vierekkäin kolme sekuntia - tarpeeksi kauan sotkeutuakseen painovoimaan - ne kulkevat toisen magneettikentän läpi, joka saattaa jokaisen superposition oksat takaisin yhteen. Kokeen viimeinen vaihe on tanskalaisen fyysikon Barbara Theralin ja muiden kehittämä takertumistodistajaprotokolla: siniset ja punaiset timantit tulevat eri laitteisiin, jotka mittaavat NV-keskusjärjestelmien pyörimissuuntia. (Mittaus saa superpositiot romahtamaan tiettyihin tiloihin.) Sitten näitä kahta tulosta verrataan. Suorittamalla kokeen kerta toisensa jälkeen ja vertaamalla monia spinmittauspareja, tutkijat voivat määrittää, korreloivatko kahden kvanttijärjestelmän spinit useammin kuin yläraja kohteille, jotka eivät ole kvanttimekaanisesti sotkeutuneita. Jos näin on, painovoima itse asiassa sotkee timantteja ja voi tukea superpositiota.
"Mielenkiintoista tässä kokeessa on, että sinun ei tarvitse tietää, mitä kvanttiteoria on", Blencowe sanoo. "Ainoa mitä tarvitaan, on sanoa, että tällä alueella on jokin kvanttinäkökohta, jota välittää kahden hiukkasen välinen voima."
Teknisiä ongelmia on paljon. Suurin esine, joka oli asetettu superpositioon kahdessa paikassa aiemmin, oli 800 atomin molekyyli. Jokainen mikrotimantti sisältää yli 100 miljardia hiiliatomia - tarpeeksi keräämään huomattavan gravitaatiovoiman. Sen kvanttimekaanisen luonteen purkaminen vaatii alhaisia lämpötiloja, syviä tyhjiöitä ja tarkkaa ohjausta. "Alkuperäisen superponoinnin saaminen käyttöön ja käyntiin vaatii paljon työtä", sanoo Peter Barker, joka on osa laserjäähdytys- ja mikrotimanttien pyydystystekniikoita jalostavaa kokeellista tiimiä. Jos tämä voitaisiin tehdä yhdellä timantilla, "toinen ei olisi ongelma", Bose lisää.
Mitä ainutlaatuista painovoimassa on?
Kvanttigravitaation tutkijoilla ei ole epäilystäkään siitä, että painovoima on kvanttivuorovaikutus, joka voi aiheuttaa sotkeutumista. Tietenkin painovoima on jossain määrin ainutlaatuinen, ja avaruuden ja ajan alkuperästä on vielä paljon opittavaa, mutta kvanttimekaniikka pitäisi ehdottomasti olla mukana, tutkijat sanovat. "Todellakin, mitä järkeä on teoriassa, jossa suurin osa fysiikasta on kvanttia ja painovoima on klassista", sanoo Daniel Harlow, kvanttigravitaation tutkija MIT:stä. Teoreettiset argumentit seka-kvanttiklassisia malleja vastaan ovat erittäin vahvoja (joskaan eivät ratkaisevia).
Toisaalta teoreetikot ovat olleet väärässä ennenkin. "Jos voit tarkistaa sen, miksi et? Jos tämä sulkee nämä ihmiset, jotka kyseenalaistavat painovoiman kvanttiluonteen, se olisi hienoa”, Harlow sanoo.
Luettuaan paperit Dyson kirjoitti: "Ehdotettu koe on varmasti erittäin kiinnostava, ja se on suoritettava todellisen kvanttijärjestelmän olosuhteissa." Hän kuitenkin huomauttaa, että kirjoittajien ajatuslinjat kvanttikentistä poikkeavat hänen. "Minulle ei ole selvää, voiko tämä koe ratkaista kysymyksen kvanttigravitaation olemassaolosta. Kysymys, jonka esitin – havaitaanko yksittäinen gravitoni – on eri kysymys ja siihen voi olla erilainen vastaus.”
Bosen, Marletton ja heidän kollegoidensa ajatuslinja kvantisoidusta painovoimasta juontaa juurensa Bronsteinin työstä jo vuonna 1935. (Dyson kutsui Bronsteinin työtä "kauniiksi teokseksi", jota hän ei ollut ennen nähnyt). Erityisesti Bronstein osoitti, että pienen massan synnyttämä heikko painovoima voidaan arvioida Newtonin gravitaatiolain avulla. (Tämä on voima, joka toimii mikrotimanttien superpositioiden välillä). Blencowen mukaan heikon kvantisoidun painovoiman laskelmia ei ole erityisesti tehty, vaikka ne ovat varmasti tärkeämpiä kuin mustien aukkojen fysiikka tai alkuräjähdys. Hän toivoo, että uusi kokeellinen ehdotus rohkaisee teoreetikot etsimään hienovaraisia tarkennuksia Newtonin approksimaatioon, joita tulevat pöytäkokeet voisivat yrittää testata.
Leonard Susskind, Stanfordin yliopiston tunnettu kvanttigravitaatio- ja kieliteoreetikko, näki ehdotetun kokeen arvon, koska "se tarjoaa havaintoja painovoimasta uudella massojen ja etäisyyksien alueella". Mutta hän ja muut tutkijat korostivat, että mikrotimantit eivät voi paljastaa mitään kvanttigravitaation tai aika-avaruuden täydellisestä teoriasta. Hän ja hänen kollegansa haluaisivat ymmärtää, mitä tapahtuu mustan aukon keskustassa ja alkuräjähdyksen hetkellä.
Ehkä yksi vihje siitä, miksi painovoiman kvantisointi on niin paljon vaikeampaa kuin mikään muu, on se, että muilla luonnonvoimilla on niin sanottu "paikallisuus": kvanttihiukkaset yhdellä kentän alueella (esimerkiksi fotonit sähkömagneettisessa kentässä) ovat "riippumattomia muita fyysisiä olentoja toisella avaruuden alueella", sanoo Mark van Raamsdonk, kvanttigravitaatioteoreetikko British Columbian yliopistosta. "Mutta on olemassa paljon teoreettisia todisteita siitä, että painovoima ei toimi tällä tavalla."
Parhaissa kvanttigravitaation hiekkalaatikkomalleissa (yksinkertaistetuilla aika-avaruusgeometrioilla) on mahdotonta olettaa, että aika-avaruuskankaan nauha on jaettu itsenäisiksi kolmiulotteisiksi paloiksi, van Raamsdonk sanoo. Sen sijaan nykyaikainen teoria ehdottaa, että avaruuden taustalla olevat peruskomponentit ovat "järjestyneet pikemminkin kaksiulotteisella tavalla". Avaruuden kangas voisi olla kuin hologrammi tai videopeli. "Vaikka kuva on kolmiulotteinen, tieto on tallennettu kaksiulotteiselle tietokonepiirille." Tässä tapauksessa kolmiulotteinen maailma olisi illuusio siinä mielessä, että sen eri osat eivät ole niin itsenäisiä. Videopelien analogiassa muutama bitti kaksiulotteisessa sirussa voi koodata koko peliuniversumin globaaleja toimintoja.
Ja tällä erolla on merkitystä, kun yrität luoda painovoiman kvanttiteoriaa. Tavallinen lähestymistapa jonkin kvantisoimiseen on tunnistaa sen itsenäiset osat - esimerkiksi hiukkaset - ja sitten soveltaa niihin kvanttimekaniikkaa. Mutta jos et määrittele oikeita komponentteja, päädyt vääriin yhtälöihin. Kolmiulotteisen avaruuden suora kvantisointi, jonka Bronstein halusi tehdä, toimii jossain määrin heikon painovoiman kanssa, mutta osoittautuu hyödyttömäksi, kun aika-avaruus on erittäin kaareva.
Jotkut asiantuntijat sanovat, että kvanttigravitaation "hymyn" näkeminen voi johtaa motivaatioon tällaiseen abstraktiin päättelyyn. Loppujen lopuksi kokeelliset tosiasiat eivät tue äänekkäimpiäkään teoreettisia väitteitä kvanttigravitaation olemassaolosta. Kun van Raamsdonk selittää tutkimustaan tieteellisessä kollokviumissa, hän sanoo, että se alkaa yleensä tarinalla siitä, kuinka gravitaatiota on mietittävä uudelleen kvanttimekaniikan avulla, koska klassinen aika-avaruuden kuvaus hajoaa mustien aukkojen ja alkuräjähdyksen myötä.
"Mutta jos teet tämän yksinkertaisen kokeen ja osoitat, että gravitaatiokenttä oli superpositiossa, klassisen kuvauksen epäonnistuminen tulee ilmeiseksi. Koska tulee kokeilu, joka viittaa siihen, että gravitaatio on kvantti."
Perustuu Quanta Magazinen materiaaleihin
Oppitunnin tavoitteet:
Koulutus: muodostaa opiskelijoille käsitys valosähköisestä vaikutuksesta ja tutkia sen lakeja, joita se noudattaa; testaa valosähköisen vaikutuksen lakeja virtuaalikokeella.
Kehittävä: kehittää loogista ajattelua.
Kasvatus: sosiaalisuuden (kyky kommunikoida), huomion, aktiivisuuden, vastuuntunton edistäminen, kiinnostuksen herättäminen aihetta kohtaan.
Tuntien aikana
I. Organisatorinen hetki.
– Tämän päivän oppitunnin aihe on "Valokuvaefekti".
Pohdittaessa tätä mielenkiintoista aihetta jatkamme osion "Kvanttifysiikka" tutkimista, yritämme selvittää, mikä vaikutus valolla on aineeseen ja mistä tämä vaikutus riippuu. Mutta ensin käymme läpi viimeisellä oppitunnilla käsitellyn materiaalin, jota ilman on vaikea ymmärtää valokuvatehosteen monimutkaisuutta. Viimeisellä oppitunnilla tarkastelimme Planckin hypoteesia.
Mikä on pienin energiamäärä, jonka järjestelmä voi lähettää ja absorboida? (kvantti)
Kuka toi ensimmäisenä "energiakvantin" käsitteen tieteeseen? (M. Planck)
Selitys siitä, mikä kokeellinen riippuvuus vaikutti kvanttifysiikan syntymiseen? (lämmitettyjen kiinteiden aineiden säteilyn laki)
Mitä väriä näemme täysin mustassa kehossa? (mikä tahansa väri lämpötilasta riippuen)
III. Uuden materiaalin oppiminen
1900-luvun alussa syntyi kvanttiteoria - teoria alkuainehiukkasten ja niistä koostuvien järjestelmien liikkeestä ja vuorovaikutuksesta.
Lämpösäteilyn lakien selittämiseksi M. Planck ehdotti, että atomit eivät lähetä sähkömagneettista energiaa jatkuvasti, vaan erillisinä osina - kvantteina. Kunkin tällaisen osan energia määräytyy kaavan mukaan E = h, Missä 
-Planckin vakio; v on valoaallon taajuus.
Toinen vahvistus kvanttiteorian oikeellisuudesta oli Albert Einsteinin vuonna 1905 antama selitys. ilmiö valosähköinen ilmiö
Valokuvatehoste– ilmiö, jossa elektroneja irtoaa kiinteistä ja nestemäisistä aineista valon vaikutuksesta.
Valokuvaefektien tyypit:
1. Ulkoinen valosähköinen vaikutus on sähkömagneettisen säteilyn vaikutuksen alaisen aineen elektronien emissio. Ulkoinen valosähköinen vaikutus havaitaan kiinteissä aineissa ja myös kaasuissa.
2. Sisäinen valosähköinen vaikutus on sähkömagneettista säteilyä, joka aiheuttaa elektronien siirtymisen johtimen tai eristeen sisällä sidotuista tiloista vapaisiin pakenematta ulos.
3. Valve valosähköinen vaikutus - ulkonäkö valokuva - emf. kun valaistaan kahden eri puolijohteen tai puolijohteen ja metallin kosketusta.
Valosähköinen ilmiö saksalainen fyysikko löysi sen vuonna 1887 G. Hertz ja vuosina 1888–1890 sitä tutki kokeellisesti A. G. Stoletov. Täydellisimmän tutkimuksen valosähköisen ilmiön ilmiöstä suoritti F. Lenard vuonna 1900. Siihen mennessä elektroni oli jo löydetty (1897, J. Thomson), ja kävi selväksi, että valosähköinen vaikutus (tai tarkemmin sanottuna ulkoinen valosähköinen vaikutus) koostuu elektronien irtautumisesta aineesta siihen osuvan valon vaikutuksesta.
Valosähköisen vaikutuksen tutkimus.
Ensimmäiset valosähköistä vaikutusta koskevat kokeet aloitti Stoletov jo helmikuussa 1888.
Kokeissa käytettiin lasista tyhjiöpulloa kahdella metallielektrodilla, jonka pinta puhdistettiin perusteellisesti. Elektrodeihin syötettiin jonkin verran jännitettä U, jonka napaisuutta voi muuttaa kaksoisavaimella. Yksi elektrodeista (katodi K) valaistiin kvartsi-ikkunan läpi monokromaattisella valolla, jolla oli tietyn aallonpituus. Vakiovalovirralla otettiin valovirran voimakkuuden riippuvuus minä käytetystä jännitteestä.
Valosähköisen vaikutuksen lait
Kyllästysvalovirta on suoraan verrannollinen tulevaan valovirtaan.
fotoelektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti valon taajuuden mukaan eikä riipu sen intensiteetistä.
Jokaiselle aineelle on asetettu vähimmäistaajuus, jota kutsutaan valosähköisen vaikutuksen punaiseksi rajaksi, jonka alapuolella valosähköinen vaikutus on mahdoton.
M. Planckin hypoteesin mukaan sähkömagneettinen aalto koostuu yksittäisistä fotoneista ja säteilyä tapahtuu epäjatkuvasti - kvanteissa, fotoneissa. Näin ollen myös valon absorption tulee tapahtua epäjatkuvasti - fotonit siirtävät energiansa koko aineen atomeille ja molekyyleille.
– Einsteinin yhtälö valosähköiselle efektille
mv 2 /2 = eU 0 – valoelektronin kineettisen energian maksimiarvo;
– valon vähimmäistaajuus, jolla valosähköinen vaikutus on mahdollinen;
V max = hc/Aout – suurin valotaajuus, jolla valosähköinen vaikutus on mahdollinen
- punainen valokuvatehostereunus
- fotonin liikemäärä
Keskustelua termien ja käsitteiden selventämisen kera.
Ilmiötä, jossa aine lähettää elektroneja valon vaikutuksesta, kutsutaan...
Aineen pinnasta 1 sekunnissa valon emittoimien elektronien määrä on suoraan verrannollinen...
Valoelektronien kineettinen energia kasvaa lineaarisesti ... kanssa, eikä se riipu ...
Jokaisella aineella on valon vähimmäistaajuus, jolla valosähköinen vaikutus on edelleen mahdollinen. Tätä taajuutta kutsutaan...
Työtä, joka on tehtävä elektronien poistamiseksi aineen pinnalta, kutsutaan...
Einsteinin yhtälö valosähköiselle efektille (formulaatio)…
IV. Tiedon konsolidointi ja yleistäminen.
Tehtävä 1. Mikä on alin valon taajuus, jolla valosähköinen vaikutus vielä havaitaan, jos elektronin työfunktio metallista on 3,3 * 10 -19 J?
Tehtävä 2. Määritä näkyvän spektrin pisintä ja lyhintä aaltoa vastaavan fotonin energia, massa ja liikemäärä?
Ratkaisu:
Ongelma 3. Etsi kaliumin valosähköisen tehon kynnys, jos työfunktio A = 1,32 EV?
Ratkaisu:
Einsteinin yhtälössä 
Ratkaise seuraavat tehtävät kirjoittamiesi kaavojen avulla omillaan.
Levymateriaalin työtoiminto on 4 eV. Levy on valaistu monokromaattisella valolla. Mikä on tulevan valon fotonien energia, jos valoelektronien suurin kineettinen energia on 2,5 eV?
Nikkelilevy altistetaan sähkömagneettiselle säteilylle, jonka fotonienergia on 8 eV. Tässä tapauksessa valosähköisen vaikutuksen seurauksena levystä emittoituu elektroneja, joiden energia on enintään 3 eV. Mikä on nikkelin elektronien työtehtävä?
Fotonivirta, jonka energia on 12 eV, lyö pois metallista fotoelektroneja, joiden suurin kineettinen energia on 2 kertaa pienempi kuin työfunktio. Määritä työfunktio annetulle metallille.
Elektronin työfunktio metallista. Selvitä säteilyn suurin aallonpituus, joka voi irrottaa elektroneja.
Määritä metallin elektronien työfunktio, jos valosähköisen vaikutuksen punainen raja on 0,255 µm.
Joidenkin metallien valosähköisen vaikutuksen punainen raja on valo taajuudella . Määritä kineettinen energia, jonka elektronit hankkivat aallonpituuden omaavan säteilyn vaikutuksesta
Valmistele esitys aiheesta "Valosähköisen efektin soveltaminen"
