Nikt na świecie nie rozumie mechaniki kwantowej – to najważniejsza rzecz, którą musisz o niej wiedzieć. Tak, wielu fizyków nauczyło się wykorzystywać jego prawa, a nawet przewidywać zjawiska za pomocą obliczeń kwantowych. Wciąż jednak nie jest jasne, dlaczego obecność obserwatora przesądza o losach systemu i zmusza go do dokonania wyboru na korzyść jednego państwa. „Teorie i praktyki” wybrały przykłady eksperymentów, na wynik których nieuchronnie wpływa obserwator, i próbowały dowiedzieć się, co mechanika kwantowa zrobi z taką ingerencją świadomości w rzeczywistość materialną.

Kot Shroedingera

Obecnie istnieje wiele interpretacji mechaniki kwantowej, z których najpopularniejszą pozostaje ta kopenhaska. Jej główne założenia sformułowali w latach dwudziestych XX wieku Niels Bohr i Werner Heisenberg. Centralnym terminem interpretacji kopenhaskiej była funkcja falowa – funkcja matematyczna zawierająca informacje o wszystkich możliwych stanach układu kwantowego, w którym się ona jednocześnie znajduje.

Według interpretacji kopenhaskiej jedynie obserwacja może wiarygodnie określić stan układu i odróżnić go od pozostałych (funkcja falowa pomaga jedynie matematycznie obliczyć prawdopodobieństwo wykrycia układu w określonym stanie). Można powiedzieć, że po obserwacji układ kwantowy staje się klasyczny: natychmiast przestaje współistnieć w wielu stanach na rzecz jednego z nich.

Takie podejście zawsze miało swoich przeciwników (pamiętajmy chociażby „Bóg nie gra w kości” Alberta Einsteina), jednak dokładność obliczeń i przewidywań zrobiła swoje. Jednak ostatnio zwolenników interpretacji kopenhaskiej jest coraz mniej, a nie najmniejszą przyczyną jest bardzo tajemnicze, chwilowe załamanie się funkcji falowej podczas pomiaru. Słynny eksperyment myślowy Erwina Schrödingera z biednym kotem miał właśnie na celu ukazanie absurdu tego zjawiska.

Przypomnijmy więc treść eksperymentu. Żywy kot, ampułka z trucizną i pewien mechanizm, który może w losowy sposób uruchomić truciznę, umieszczone są w czarnej skrzynce. Na przykład jeden atom radioaktywny, którego rozpad spowoduje rozbicie ampułki. Dokładny czas rozpadu atomu nie jest znany. Znany jest tylko okres półtrwania: czas, w którym nastąpi rozpad z 50% prawdopodobieństwem.

Okazuje się, że dla zewnętrznego obserwatora kot w pudełku istnieje jednocześnie w dwóch stanach: albo jest żywy, jeśli wszystko pójdzie dobrze, albo martwy, jeśli nastąpił rozkład i pękła ampułka. Obydwa te stany opisuje funkcja falowa kota, która zmienia się w czasie: im dalej, tym większe prawdopodobieństwo, że nastąpił już rozpad promieniotwórczy. Ale gdy tylko pudełko zostanie otwarte, funkcja falowa załamuje się i od razu widzimy wynik eksperymentu Knackera.

Okazuje się, że dopóki obserwator nie otworzy pudełka, kot już zawsze będzie balansował na granicy życia i śmierci i tylko działanie obserwatora zadecyduje o jego losie. To jest absurd, na który zwrócił uwagę Schrödinger.

Dyfrakcja elektronów

Według sondażu przeprowadzonego wśród czołowych fizyków przez „The New York Times” eksperyment z dyfrakcją elektronów przeprowadzony w 1961 roku przez Klausa Jensona stał się jednym z najpiękniejszych w historii nauki. Jaka jest jego istota?

Istnieje źródło emitujące przepływ elektronów w kierunku ekranu kliszy fotograficznej. Na drodze tych elektronów stoi przeszkoda – miedziana płytka z dwiema szczelinami. Jakiego obrazu możesz spodziewać się na ekranie, jeśli pomyślisz o elektronach jako o małych naładowanych kulkach? Dwa podświetlane paski naprzeciw rozcięć.

W rzeczywistości na ekranie pojawia się znacznie bardziej złożony wzór naprzemiennych czarno-białych pasków. Faktem jest, że elektrony przechodząc przez szczeliny zaczynają zachowywać się nie jak cząstki, ale jak fale (podobnie jak fotony, cząstki światła, mogą być jednocześnie falami). Następnie fale te oddziałują w przestrzeni, osłabiając się i wzmacniając w niektórych miejscach, w wyniku czego na ekranie pojawia się złożony obraz naprzemiennych jasnych i ciemnych pasów.

W tym przypadku wynik eksperymentu nie ulega zmianie i jeśli elektrony przesyłane są przez szczelinę nie w sposób ciągły, ale indywidualnie, to nawet jedna cząstka może być jednocześnie falą. Nawet jeden elektron może jednocześnie przejść przez dwie szczeliny (i jest to kolejne ważne stanowisko kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej - obiekty mogą jednocześnie wykazywać swoje „zwykłe” właściwości materiałowe i egzotyczne właściwości falowe).

Ale co ma z tym wspólnego obserwator? Pomimo tego, że jego i tak skomplikowana historia stała się jeszcze bardziej skomplikowana. Kiedy w podobnych eksperymentach fizycy próbowali wykryć za pomocą instrumentów szczelinowych faktycznie przechodzący elektron, obraz na ekranie zmienił się radykalnie i stał się „klasyczny”: dwa oświetlone obszary naprzeciw szczelin i żadnych naprzemiennych pasków.

Wyglądało to tak, jakby elektrony nie chciały pokazać swojej falowej natury pod czujnym okiem obserwatora. Dostosowaliśmy się do jego instynktownej chęci zobaczenia prostego i zrozumiałego obrazu. Mistyk? Istnieje znacznie prostsze wyjaśnienie: żadna obserwacja układu nie może być prowadzona bez fizycznego oddziaływania na niego. Ale wrócimy do tego nieco później.

Podgrzewany fuleren

Eksperymenty z dyfrakcją cząstek prowadzono nie tylko na elektronach, ale także na znacznie większych obiektach. Na przykład fulereny to duże, zamknięte cząsteczki składające się z kilkudziesięciu atomów węgla (na przykład fuleren o sześćdziesięciu atomach węgla ma kształt bardzo podobny do piłki nożnej: pustą w środku kulę zszytą z pięciokątów i sześciokątów).

Niedawno grupa z Uniwersytetu Wiedeńskiego pod przewodnictwem profesora Zeilingera próbowała wprowadzić do takich eksperymentów element obserwacji. W tym celu napromieniowali poruszające się cząsteczki fulerenu wiązką lasera. Następnie, podgrzane pod wpływem czynników zewnętrznych, cząsteczki zaczęły świecić i w ten sposób nieuchronnie ujawniły obserwatorowi swoje miejsce w przestrzeni.

Wraz z tą innowacją zmieniło się również zachowanie cząsteczek. Przed rozpoczęciem całkowitej obserwacji fulereny z powodzeniem omijały przeszkody (wykazywały właściwości falowe), takie jak elektrony z poprzedniego przykładu przechodzące przez nieprzezroczysty ekran. Ale później, wraz z pojawieniem się obserwatora, fulereny uspokoiły się i zaczęły zachowywać się jak całkowicie przestrzegające prawa cząstki materii.

Wymiar chłodzący

Jednym z najbardziej znanych praw świata kwantowego jest zasada nieoznaczoności Heisenberga: nie da się jednocześnie określić położenia i prędkości obiektu kwantowego. Im dokładniej mierzymy pęd cząstki, tym mniej dokładnie można zmierzyć jej położenie. Jednak skutki praw kwantowych działających na poziomie drobnych cząstek są zwykle niezauważalne w naszym świecie dużych makroobiektów.

Dlatego tym cenniejsze są niedawne eksperymenty grupy profesora Schwaba z USA, w których wykazano efekty kwantowe nie na poziomie samych elektronów czy cząsteczek fulerenu (ich charakterystyczna średnica wynosi około 1 nm), ale na nieco bardziej namacalnym obiekt - malutki aluminiowy pasek.

Pasek ten zabezpieczono obustronnie tak, aby jego środek był zawieszony i mógł wibrować pod wpływem czynników zewnętrznych. Dodatkowo obok listwy umieszczono urządzenie zdolne do rejestrowania jej położenia z dużą dokładnością.

W rezultacie eksperymentatorzy odkryli dwa interesujące efekty. Po pierwsze, jakikolwiek pomiar położenia obiektu czy obserwacja paska nie przebiegała bez pozostawienia dla niej śladu – po każdym pomiarze położenie paska zmieniało się. Z grubsza mówiąc, eksperymentatorzy z dużą dokładnością określili współrzędne paska i tym samym, zgodnie z zasadą Heisenberga, zmienili jego prędkość, a tym samym późniejsze położenie.

Po drugie, dość nieoczekiwanie, niektóre pomiary doprowadziły również do ochłodzenia taśmy. Okazuje się, że obserwator może zmienić właściwości fizyczne obiektów samą swoją obecnością. Brzmi to zupełnie niewiarygodnie, ale trzeba przyznać fizykom, że nie ponieśli straty – teraz grupa profesora Schwaba zastanawia się, jak zastosować odkryty efekt do chłodzenia chipów elektronicznych.

Zamrażanie cząstek

Jak wiadomo, niestabilne cząstki radioaktywne rozpadają się na świecie nie tylko na potrzeby eksperymentów na kotach, ale także zupełnie samodzielnie. Co więcej, każda cząstka charakteryzuje się średnim czasem życia, który, jak się okazuje, może się wydłużyć pod czujnym okiem obserwatora.

Ten efekt kwantowy po raz pierwszy przewidziano w latach sześćdziesiątych XX wieku, a jego znakomite eksperymentalne potwierdzenie pojawiło się w artykule opublikowanym w 2006 roku przez grupę fizyka, laureata Nagrody Nobla Wolfganga Ketterle'a z Massachusetts Institute of Technology.

W tej pracy badaliśmy rozpad niestabilnie wzbudzonych atomów rubidu (rozpad na atomy rubidu w stanie podstawowym i fotony). Zaraz po przygotowaniu układu i wzbudzeniu atomów zaczęto je obserwować – oświetlano je wiązką lasera. W tym przypadku obserwację prowadzono w dwóch trybach: ciągłym (do układu stale dostarczane są małe impulsy świetlne) i pulsacyjnym (układ jest co jakiś czas naświetlany mocniejszymi impulsami).

Uzyskane wyniki były w doskonałej zgodności z przewidywaniami teoretycznymi. Zewnętrzne wpływy światła faktycznie spowalniają rozpad cząstek, jakby przywracały je do pierwotnego stanu, dalekiego od rozpadu. Co więcej, wielkość efektu dla dwóch badanych reżimów również pokrywa się z przewidywaniami. A maksymalna żywotność niestabilnych wzbudzonych atomów rubidu została wydłużona 30-krotnie.

Mechanika kwantowa i świadomość

Elektrony i fulereny przestają wykazywać swoje właściwości falowe, płyty aluminiowe schładzają się, a niestabilne cząstki zamarzają w procesie rozpadu: pod wszechmocnym spojrzeniem obserwatora świat się zmienia. Co nie jest dowodem na zaangażowanie naszego umysłu w pracę otaczającego nas świata? Może więc Carl Jung i Wolfgang Pauli (austriacki fizyk, laureat Nagrody Nobla, jeden z pionierów mechaniki kwantowej) mieli rację, gdy twierdzili, że prawa fizyki i świadomości należy traktować jako komplementarne?

Ale od rutynowego rozpoznania już tylko krok: cały otaczający nas świat jest esencją naszego umysłu. Dziwny? („Czy naprawdę myślisz, że Księżyc istnieje tylko wtedy, gdy na niego patrzysz?” Einstein skomentował zasady mechaniki kwantowej). Spróbujmy więc ponownie zwrócić się do fizyków. Co więcej, w ostatnich latach coraz mniej podoba im się kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej z jej tajemniczym zapadnięciem się fali funkcyjnej, którą zastępuje inny, całkiem przyziemny i rzetelny termin – dekoherencja.

Rzecz w tym, że we wszystkich opisanych eksperymentach obserwacyjnych eksperymentatorzy nieuchronnie wpłynęli na system. Oświetlili go laserem i zainstalowali przyrządy pomiarowe. I to jest ogólna, bardzo ważna zasada: nie można obserwować układu, mierzyć jego właściwości bez interakcji z nim. A tam, gdzie zachodzi interakcja, następuje zmiana właściwości. Co więcej, gdy kolos obiektów kwantowych oddziałuje z maleńkim układem kwantowym. Zatem wieczna, buddyjska neutralność obserwatora jest niemożliwa.

To właśnie wyjaśnia termin „dekoherencja” – nieodwracalny proces naruszania właściwości kwantowych układu podczas jego interakcji z innym, większym układem. Podczas takiej interakcji układ kwantowy traci swoje pierwotne cechy i staje się klasyczny, „poddając się” dużemu systemowi. To wyjaśnia paradoks z kotem Schrödingera: kot jest tak dużym systemem, że po prostu nie można go odizolować od świata. Sam eksperyment myślowy nie jest całkowicie poprawny.

W każdym razie, w porównaniu z rzeczywistością jako aktem tworzenia świadomości, dekoherencja brzmi znacznie spokojniej. Może nawet zbyt spokojny. Przecież przy takim podejściu cały świat klasyczny staje się jednym wielkim efektem dekoherencji. A zdaniem autorów jednej z najpoważniejszych książek z tej dziedziny, z takich podejść logicznie wynikają także stwierdzenia typu „na świecie nie ma cząstek” czy „nie ma czasu na podstawowym poziomie”.

Twórczy obserwator czy wszechpotężna dekoherencja? Musisz wybrać pomiędzy dwoma złami. Ale pamiętajcie – obecnie naukowcy są coraz bardziej przekonani, że podstawą naszych procesów myślowych są te same, słynne efekty kwantowe. Zatem gdzie kończy się obserwacja, a zaczyna rzeczywistość – każdy z nas musi wybierać.

Zdjęcia z otwartych źródeł

Brytyjski fizyk Lord Kelvin argumentował w 1900 roku, że wszystkie ważne odkrycia nauki zostały już dokonane. Mechanika kwantowa spowodowała jednak prawdziwą rewolucję i dziś żaden fizyk nie odważyłby się twierdzić, że nasza fizyczna wiedza o Wszechświecie dobiega końca. Wręcz przeciwnie, każde nowe odkrycie automatycznie rodzi coraz więcej pytań...

Jak zmierzyć załamanie funkcji fali kwantowej?

W świecie fotonów, elektronów i innych cząstek elementarnych obowiązuje mechanika kwantowa. Cząstki zachowują się jak fale rozchodzące się na ogromnym obszarze. Każda cząstka opisana jest za pomocą „funkcji falowej”, która informuje o jej możliwym położeniu, prędkości i innych właściwościach. W rzeczywistości cząstka ma zakres wartości dla wszystkich właściwości, dopóki nie zostanie zmierzona eksperymentalnie. W momencie wykrycia jego funkcja falowa ulega „zniszczeniu”. Ale dlaczego i jak w rzeczywistości, którą postrzegamy, ich funkcja falowa załamuje się? Pytanie, znane jako problem pomiaru, może wydawać się ezoteryczne, ale nasze zrozumienie tego, czym jest nasza rzeczywistość i czy w ogóle istnieje, również staje pod znakiem zapytania.
Dlaczego jest więcej materii niż antymaterii?
Prawdziwe pytanie brzmi: dlaczego coś w ogóle istnieje. Niektórzy naukowcy sugerują, że po Wielkim Wybuchu materia i antymateria były symetryczne. Gdyby tak było, to świat, który widzimy, zostałby natychmiast zniszczony – elektrony reagowałyby z antyelektronami, protony z antyprotonami itd., pozostawiając jedynie morze „nagich” fotonów.
Strzałka czasu
Czas płynie do przodu, ponieważ właściwość wszechświata zwana „entropią” jest z grubsza definiowana jako poziom rosnącego nieporządku i dlatego nie ma możliwości odwrócenia wzrostu entropii, gdy już on nastąpił. Ale główne pytanie brzmi: dlaczego entropia była na niskim poziomie w momencie narodzin Wszechświata, kiedy stosunkowo niewielka przestrzeń była wypełniona kolosalną energią?
Czym jest ciemna materia?
We Wszechświecie istnieje ponad 80% materii, która nie emituje ani nie pochłania światła. Ponieważ ciemna materia nie jest widoczna, jej istnienie i właściwości rejestrowane są na podstawie jej grawitacyjnego wpływu na materię widzialną, promieniowania i zmian w strukturze Wszechświata. Ta ciemna substancja przenika obrzeża galaktyki i składa się z „słabo oddziałujących masywnych cząstek”.
Czym jest ciemna energia?
Uważa się, że ciemna energia jest stałą kosmologiczną, nieodłączną właściwością samej przestrzeni, w której panuje podciśnienie. Im bardziej przestrzeń się rozszerza, tym więcej powstaje przestrzeni, a wraz z nią ciemnej energii. Na podstawie swoich obserwacji naukowcy wiedzą, że masa całej ciemnej energii musi stanowić około 70% całkowitej zawartości Wszechświata. Jednak naukowcy wciąż nie mogą znaleźć sposobu, aby go szukać.

Życie jest najbardziej niezwykłym zjawiskiem w obserwowalnym wszechświecie; ale jak powstało życie? Nawet w dobie klonowania i biologii syntetycznej niezwykła prawda pozostaje aktualna: nikomu nie udało się jeszcze stworzyć żywych istot z całkowicie nieożywionych materiałów. Życie powstaje tylko z życia. Czy zatem nadal brakuje nam niektórych jego podstawowych elementów? Podobnie jak Samolubny gen Richarda Dawkinsa przyniósł nowe spojrzenie na proces ewolucyjny, Życie na krawędzi zmienia nasze rozumienie podstawowych sił napędzających świat. Autorzy dokonują w nim przeglądu zarówno najnowszych danych eksperymentalnych, jak i odkryć z najnowocześniejszych osiągnięć nauki, i robią to w wyjątkowo przejrzystym stylu. Jim Al-Khalili i Jonjoe McFadden rozmawiają o brakującym elemencie mechaniki kwantowej; zjawisko leżące u podstaw tej najbardziej tajemniczej z nauk.

Książka:

<<< Назад

Do przodu >>>

Wkrótce wrócimy do fotonu i drzewa i zobaczymy, jaki mają one związek ze światem kwantowym, ale najpierw zapraszamy do rozważenia zaskakująco prostego eksperymentu, który rzuca światło na tajemnicę świata kwantowego. Chociaż staramy się jak najdokładniej wyjaśnić, co oznaczają wyrażenia takie jak „superpozycja kwantowa”, nic nie jest jaśniejsze niż opisany poniżej słynny eksperyment z podwójną szczeliną.

Eksperyment z podwójną szczeliną najprościej i najpełniej pokazuje, że w świecie kwantowym wszystko działa inaczej. Cząstki mogą zachowywać się jak fale, gdy rozchodzą się w przestrzeni, a fale mogą czasami przyjmować właściwości cząstek. Mówiliśmy już o dualizmie korpuskularno-falowym: we wstępie opisano go jako cechę, która wyjaśnia, w jaki sposób Słońce wytwarza energię; W rozdziale 3 przyjrzeliśmy się, jak charakterystyka falowa elektronów i protonów pozwala im pokonać bariery energetyczne w strukturze enzymów. W tym rozdziale dowiesz się, że dualizm korpuskularno-falowy wpływa także na najważniejsze reakcje biochemiczne w biosferze: przemianę powietrza, wody i światła w rośliny, mikroorganizmy i – pośrednio – w nas wszystkich. Najpierw jednak musimy zrozumieć, w jaki sposób śmiały pomysł, że cząstki mogą znajdować się w kilku miejscach na raz, znajduje potwierdzenie w najprostszych, najbardziej eleganckich, a jednocześnie najbardziej ambitnych eksperymentach w historii: jeden z tych eksperymentów, według Richarda Feynmana, „ leży w sercu nauki kwantowej.” mechaniki.”

Muszę Cię jednak ostrzec, że to, co tu opisano, wyda Ci się niemożliwe i możesz pomyśleć, że musi istnieć bardziej racjonalny sposób wyjaśnienia tego, co się dzieje. Być może zastanawiasz się, jaki jest sekret tej magicznej sztuczki. Możesz też dojść do wniosku, że to doświadczenie jest czysto teoretyczną spekulacją, wymyśloną przez naukowców, którym brakowało wyobraźni, aby zrozumieć mechanizmy natury. Ale żadne z tych wyjaśnień nie jest prawidłowe. Eksperyment z podwójną szczeliną nie ma żadnego (dźwiękowego) wyjaśnienia, ale jest prawdziwy i był powtarzany tysiące razy.

Opiszemy eksperyment w trzech krokach; pierwsze dwa będą dotyczyły opisu warunków, abyś mógł docenić niezrozumiałe wyniki trzeciego, głównego etapu.

Najpierw wiązka światła monochromatycznego (składająca się z fal tego samego koloru, czyli fal o tej samej długości) kierowana jest na ekran z dwiema wąskimi szczelinami, dzięki którym część światła przechodzi przez obie szczeliny do drugiego ekranu (ryc. 4.1).

Ryż. 4.1. Eksperyment z podwójną szczeliną Etap 1: Kiedy światło monochromatyczne (o określonej długości fali) jest kierowane na dwie szczeliny, każda szczelina działa jak nowe źródło światła po drugiej stronie. Ze względu na falowy charakter światło po przejściu przez każdą szczelinę rozprzestrzenia się (rozprasza) tak, że okrągłe fale nakładają się na siebie i oddziałują ze sobą tworząc ciemne i jasne paski na tylnym ekranie

Precyzyjnie kontrolując szerokość szczelin, odległość między nimi oraz odległość między dwoma ekranami, możemy stworzyć sekwencję jasnych i ciemnych prążków na drugim ekranie, zwaną wzorem interferencyjnym.

Wzory interferencyjne to wykresy fal, które można łatwo zobaczyć w dowolnym ośrodku falowym. Rzuć kamień na powierzchnię stawu, a zobaczysz serię koncentrycznych okrągłych fal odbiegających od punktu rozprysku. Wrzuć dwa kamienie do tego samego stawu, a każdy z nich stworzy własne koncentryczne fale. Tam, gdzie fale z dwóch kamieni nakładają się, zobaczysz wzór interferencji (rysunek 4.2).

Ryż. 4.2. Konstruktywna i destrukcyjna interferencja fal

Tam, gdzie szczyt jednej fali spotyka się z doliną drugiej, znoszą się one wzajemnie, w wyniku czego w tym punkcie nie ma fali. Zjawisko to nazywa się zakłóceniami destrukcyjnymi. I odwrotnie, gdy spotykają się dwa szczyty lub dwa doliny, wzmacniają się one nawzajem, tworząc podwójną falę: zjawisko to nazywa się konstruktywną interferencją. Podobny wzór zaniku i intensyfikacji fali można zaobserwować w dowolnym ośrodku falowym. Angielski fizyk Thomas Young zademonstrował interferencję wiązek światła we wczesnej wersji eksperymentu z podwójną szczeliną przeprowadzonego ponad 200 lat temu. Wynik przekonał jego i wielu innych naukowców, że światło jest w rzeczywistości falą.

Interferencja, którą obserwujemy w eksperymencie z podwójną szczeliną, zależy przede wszystkim od drogi, jaką fale świetlne przechodzą przez szczelinę, a następnie się rozchodzą – jest to właściwość fal zwana dyfrakcją. Tym samym wiązki wychodzące ze szczelin nakładają się na siebie i pochłaniają przed uderzeniem w tylny ekran, niczym fale na wodzie. W pewnych punktach ekranu fale światła wychodzące z dwóch szczelin przechodzą w fazę, w której szczyty i dołki występują naprzemiennie — albo dlatego, że przebyły tę samą odległość do ekranu, albo dlatego, że różnica w przebytej odległości jest wielokrotność odległości pomiędzy ich szczytami. W tym przypadku najwyższe i najniższe punkty fal łączą się, tworząc jeszcze wyższe i niższe punkty. Zjawisko to nazywa się konstruktywną interferencją. Gdy fale są ułożone warstwowo, wytwarzane jest światło o dużej intensywności, dlatego na ekranie pojawia się jasny pasek. Ale w innych punktach światło z dwóch szczelin wypada w fazie i najwyższy punkt jednej fali spotyka się z najniższym punktem drugiej. W tych punktach fale neutralizują się nawzajem, co prowadzi do powstania ciemnego paska na ekranie - destrukcyjnej interferencji. Pomiędzy tymi dwoma skrajnościami kombinacja nie jest ani całkowicie zgodna w fazie, ani przesunięta w fazie i pozostaje trochę światła. Zatem to, co widzimy na ekranie, nie jest dokładną sekwencją jasnych i ciemnych prążków, ale płynną zmianą intensywności pomiędzy maksymalnymi i minimalnymi punktami wzoru interferencyjnego. Ta regularna, przypominająca falę, płynna zmiana intensywności jest kluczowym wskaźnikiem zjawisk falowych. Oto przykład z falami dźwiękowymi: muzyk strojąc instrument nasłuchuje uderzeń, które powstają, gdy jedna nuta jest bardzo zbliżona częstotliwością do drugiej, tak że w drodze do ucha muzyka czasami przechodzą one w fazę lub wypadają fazowy. Różnice w ich kombinacjach dają wspólny dźwięk, którego głośność okresowo wzrasta i maleje. Płynna zmiana natężenia dźwięku następuje w wyniku interferencji dwóch oddzielnych fal. Należy pamiętać, że te dudnienia są zjawiskiem zgodnym z prawami fizyki klasycznej i nie wymagającym interpretacji kwantowej.

Kluczowym czynnikiem w eksperymencie z podwójną szczeliną jest to, że wiązka światła padająca na pierwszy ekran musi być monochromatyczna (składająca się z tej samej długości fali). Z kolei białe światło, które pochodzi ze zwykłej żarówki, składa się z różnych długości fal (wszystkie kolory tęczy), więc fale będą uderzać w ekran w sposób losowy. W tym przypadku, choć szczyty i doliny fal będą ze sobą oddziaływać, powstały wzór będzie na tyle skomplikowany i rozmyty, że poszczególne pasma będą nie do odróżnienia. Podobnie, choć łatwo jest uzyskać wzór interferencyjny wrzucając do stawu dwa kamienie, ogromny wodospad wpadający kaskadą do stawu wytwarza tak wiele fal, że nie da się dostrzec żadnego spójnego wzoru interferencyjnego.

Teraz w drugim etapie eksperymentu z dwiema szczelinami nie będziemy używać światła, ale kul lecących w stronę ekranu. Chodzi o to, że używamy cząstek stałych, a nie rozchodzących się fal. Każdy pocisk musi oczywiście przejść przez jedną lub drugą szczelinę, ale nie przez obie jednocześnie. Po przejściu przez szczeliny wymaganej liczby kul, na tylnym ekranie zobaczymy dwie linie dziur po kulach odpowiadające dwóm szczelinom (ryc. 4.3).

Ryż. 4.3. Eksperyment z podwójną szczeliną, etap 2. W przeciwieństwie do zachowania fal świetlnych, strumień pocisków przelatujących przez szczeliny wykazuje zachowanie cząstek. Każdy pocisk, który trafia w tylną szybę, musi przejść przez jedną lub drugą szczelinę, ale nie przez obie (oczywiście zakładając, że środek ekranu jest wystarczająco gruby, aby zatrzymać kule, które nie trafiają w szczeliny). W przeciwieństwie do zakłóceń wielopasmowych, wzór na tylnym ekranie przedstawia skupisko pocisków wokół dwóch wąskich pasm odpowiadających każdej szczelinie

Oczywiście nie mamy do czynienia z falami. Każdy pocisk jest odrębną cząstką i nie oddziałuje z drugim, więc nie obserwuje się żadnych zakłóceń.

A teraz etap trzeci: „sztuczka” kwantowa. Eksperyment powtarza się, używając atomów zamiast kul. Wiązka atomów wychodząca ze źródła leci na ekran z dwiema wąskimi szczelinami. Aby zarejestrować uderzenie atomów, drugi ekran pokryty jest powłoką fotoluminescencyjną, na której w miejscu uderzenia atomu pojawia się maleńka, jasna kropka.

Gdyby na poziomie mikroskopowym zastosować zdrowy rozsądek, atomy zachowywałyby się jak maleńkie kule. Najpierw przeprowadzimy eksperyment otwierając tylko lewą szczelinę i za otwartą szczeliną zobaczymy na ekranie pasek jasnych kropek. Pewna liczba kropek jest rozmieszczona nierównomiernie na ekranie: może to oznaczać, że niektóre atomy odpychają się od krawędzi, zmieniają swoją trajektorię i nie przechodzą ściśle przez szczelinę. Następnie otworzymy prawy slot i poczekamy, aż na tylnym ekranie pojawią się jasne kropki.

Gdybyś został poproszony o przewidzenie rozkładu jasnych plam, a nie wiedziałbyś nic o mechanice kwantowej, w naturalny sposób domyśliłbyś się, że będzie to przypominać wzór uzyskany w eksperymencie z kulą. Mianowicie: za każdą szczeliną tworzy się pasek kropek, czyli na ekranie pojawiają się dwa różne świecące obszary, jaśniejsze w środku i stopniowo zanikające w kierunku krawędzi, w miarę jak uderzenia atomów stają się rzadsze. Można się także spodziewać, że obszar pośrodku pomiędzy dwoma jasnymi paskami będzie ciemny, ponieważ odpowiada części ekranu nieprzeniknionej dla atomów, niezależnie od tego, w którą szczelinę wpadną.

Nie pokrywa się to jednak z tym, co obserwujemy. Wręcz przeciwnie, widzimy bardzo wyraźny obraz interferencji jasnych i ciemnych pasków, dokładnie taki sam jak w eksperymencie ze światłem. Wierzcie lub nie, ale najjaśniejsza część ekranu znajduje się na środku: obszar, na który nie powinno spaść wiele atomów (rysunek 4.4).

Ryż. 4.4. Poeksperymentuj z dwiema szczelinami, etap 3. Zastępując pociski atomami emitowanymi ze źródła znajdującego się przed szczelinami (oczywiście na każdym etapie dobiera się odpowiednią szerokość i odległość między szczelinami) ponownie obserwujemy interferencję falową wzór. Chociaż każdy atom, który w pewnym momencie uderza w tylny ekran, zachowuje się jak cząstka, łączą się one w pasma, tak jak widzieliśmy to przy świetle. Dlaczego atomy przechodzą przez dwie szczeliny jednocześnie, bez czego nie widzielibyśmy wielu prążków interferencyjnych?

W rzeczywistości, przy prawidłowej odległości między szczelinami i właściwej odległości między dwoma ekranami, możemy zobaczyć, że jasny obszar na tylnym ekranie (do którego atomy mogłyby dotrzeć przy otwartej jednej szczelinie) jest teraz, przy otwartych dwóch szczelinach, ciemny ( żadne atomy tam nie trafiają). W jaki sposób otwarcie drugiej szczeliny, która umożliwia przejście większej liczby atomów, może zapobiec uderzaniu atomów w określone części ekranu?

Zobaczmy, czy potrafimy wyjaśnić, co się dzieje, używając zwykłej logiki, bez odwoływania się na razie do mechaniki kwantowej. Załóżmy, że choć każdy atom jest mikroskopijną cząsteczką (w końcu każdy atom uderza w ekran w jednym miejscu), to ogromna liczba atomów zderzających się i oddziałujących ze sobą w szczególny, skoordynowany sposób tworzy obraz z widoczność ingerencja. Wiemy jednak, że fale wodne składają się w rzeczywistości z wielu cząsteczek wody, które indywidualnie nie są falami. To skoordynowany ruch bilionów cząsteczek wody, a nie każdej cząsteczki z osobna, wykazuje właściwości falowe. Być może działo atomowe emituje skoordynowany strumień atomów, jak maszyna wytwarzająca fale w basenie.

Aby przetestować teorię spójnych atomów, powtórzymy eksperyment, ale teraz wyślemy atomy jeden po drugim. Włączamy armatę atomową i czekamy, aż na tylnym ekranie pojawi się plamka świetlna, po czym włączamy ją drugi raz itd. Na początku może się wydawać, że nadal zwycięża zdrowy rozsądek: każdy atom przechodzący przez szczeliny opuszcza tylko jeden zlokalizowany punkt świetlny w określonej części ekranu. Atomy wydają się być wystrzeliwane z pistoletu w postaci cząstek przypominających kule i uderzają w ekran w postaci cząstek. Oczywiście w przestrzeni pomiędzy pistoletem a ekranem również powinny zachowywać się jak cząstki. Ale - uwaga - skup się: z kapelusza wyłania się królik kwantowy. W miarę jak plamki rejestrujące uderzenie pojedynczego atomu pocisku stopniowo zakrywają ekran, ponownie pojawiają się na nim jasne i ciemne prążki interferencyjne. Ponieważ atomy przechodzą teraz przez cel pojedynczo, nie możemy powiedzieć, że istnieje zbiorowe zachowanie wielu atomów zderzających się i oddziałujących ze sobą. To nie jest jak fale wody. Po raz kolejny mamy do czynienia z sprzecznym rezultatem: są miejsca na tylnym ekranie, do których atomy mogą dotrzeć tylko przy otwartej jednej szczelinie, a które pozostają całkowicie ciemne, gdy otwarta jest także druga szczelina, mimo że jej otwarcie zapewnia dodatkowa droga dotarcia atomów do ekranu. Wygląda na to, że atom w jakiś sposób przechodzi przez jedną szczelinę wie, niezależnie od tego, czy drugie gniazdo jest otwarte, czy nie, i działa zgodnie z tym!

Zatem każdy atom jest emitowany z pistoletu jako maleńka cząsteczka i również jako cząstka spada na drugi ekran, co widać w maleńkim błysku światła po uderzeniu. Ale w przestrzeni między nimi, kiedy dwie szczeliny się spotykają, dzieje się coś magicznego, jak rozchodzenie się fali, która dzieli się na dwie składowe, z których każda przechodzi przez szczelinę i oddziałuje z drugą po drugiej stronie ekranu. Jak inaczej może jeden atom wiedzieć o stanie (otwarte czy zamknięte) obu szczelin jednocześnie?

Mając na uwadze haczyk, zobaczmy, czy uda nam się uwięzić atomy, czekając na nie za szczelinami. Można to zrobić, umieszczając czujnik, powiedzmy, za lewą szczeliną, tak aby wykrywał „sygnał” (być może sygnał audio), gdy atom przechodzi przez tę szczelinę w drodze do ekranu. Możemy także umieścić drugi czujnik za prawą szczeliną, aby rejestrować atomy przechodzące przez tę szczelinę. Teraz, jeśli atom przejdzie przez jedną lub drugą szczelinę, usłyszymy sygnał dźwiękowy z prawego lub lewego czujnika. Ale jeśli atomowi uda się w jakiś sposób przezwyciężyć swoją kulistą naturę i przejść przez obie szczeliny, wówczas oba detektory wyemitują sygnał dźwiękowy w tym samym czasie.

Teraz widzimy, że za każdym razem, gdy włącza się działo atomowe, czemu towarzyszy pojawienie się jasnej kropki na ekranie, emitowany jest sygnał przez lewy lub prawy czujnik, ale nie oba na raz. Niewątpliwie wreszcie mamy dowód na to, że interakcja atomowa zachodzi, gdy atomy przechodzą przez jedną lub drugą szczelinę, ale nie przez obie jednocześnie. Bądźmy jednak cierpliwi i dalej patrzmy na ekran. Kiedy poszczególne błyski światła łączą się, widzimy, że tworzony przez nie wzór nie przypomina już wzoru interferencyjnego. Zamiast tego pojawiają się dwa jasne paski, wskazujące akumulację wielu atomów za każdą szczeliną, tak jak w eksperymencie z kulami. Teraz podczas eksperymentu atomy zachowują się jak zwykłe cząstki. To tak, jakby każdy atom zachowywał się jak fala, gdy napotyka szczeliny, jeśli nie jest obserwowany, w przeciwnym razie pozostaje tylko małą cząsteczką.

Możliwe, że obecność czujnika powoduje problem, wpływając na dziwne zachowanie atomów przechodzących przez szczeliny. Przetestujmy to, usuwając jeden czujnik, powiedzmy po prawej stronie. Nadal możemy uzyskać pewne informacje z tego obwodu, ponieważ kiedy pistolet zostanie włączony, a na ekranie pojawi się sygnał i jasna plamka, będziemy wiedzieć, że atom musiał przejść przez lewą szczelinę. Kiedy włączamy pistolet i nie słyszymy sygnału, ale widzimy jasną kropkę na ekranie, wiemy, że atomy musiały przedostać się do ekranu przez prawą szczelinę. Teraz już wiemy, czy atomy przeszły przez lewą, czy prawą szczelinę, ale ich trajektoria jest „zaburzona” tylko z jednej strony. Jeśli sam czujnik powoduje problemy, spodziewalibyśmy się, że atomy, które spowodowały sygnał dźwiękowy, będą zachowywać się jak kule, a atomy, które nie spowodowały sygnału dźwiękowego (i przeszły przez prawą szczelinę), będą zachowywać się jak fale. Na ekranie prawdopodobnie zobaczymy mieszaninę wzoru pocisku (z atomów przechodzących przez lewą szczelinę) i wzoru interferencyjnego (z atomów przechodzących przez prawą szczelinę).

Ale to nieprawda. W tej sytuacji ponownie nie obserwujemy wzoru interferencji. Ekran za każdą szczeliną tworzy wzór atomów w kształcie kuli, zachowujących się jak cząstki. Wydaje się, że sama obecność czujnika rejestrującego położenie atomu wystarczy, aby zniszczyć jego zachowanie falowe, nawet jeśli czujnik znajduje się w pewnej odległości od trajektorii atomu przechodzącego przez inną szczelinę!

Być może fizyczna obecność czujnika w pobliżu lewej szczeliny wystarczy, aby wpłynąć na przejście atomów przez nią, tak jak duża skała zmienia kierunek przepływu wody w rwącym strumieniu. Możemy przeprowadzić eksperyment wyłączając lewy czujnik. Nadal pozostaje na swoim miejscu, więc możemy spodziewać się, że jego wpływ będzie prawie taki sam. Ale teraz, w obecności wyłączonego czujnika, na ekranie ponownie pojawia się wzór zakłóceń! Wszystkie atomy biorące udział w eksperymencie znów zaczęły zachowywać się jak fale. Dlaczego atomy zachowują się jak cząstki, gdy czujnik jest włączony w pobliżu lewej szczeliny, ale gdy tylko czujnik zostanie wyłączony, zachowują się jak fale? Jak cząstka przechodząca przez prawą szczelinę, wie o to czy czujnik znajdujący się po lewej stronie jest włączony czy wyłączony?

Na tym etapie będziesz musiał zapomnieć o logice i zdrowym rozsądku. Mamy teraz do czynienia z dualizmem korpuskularno-falowym małych obiektów, takich jak atomy, elektrony czy fotony, które zachowują się jak fala, jeśli nie wiemy, przez którą szczelinę przechodzi, i jak cząstka, jeśli je obserwujemy. Jest to proces obserwacji lub pomiaru obiektów kwantowych, o którym mówiliśmy w Rozdziale 1, rozważając demonstrację kwantowego splątania poszczególnych fotonów w eksperymencie Alaina Aspe. Jak zapewne pamiętacie, zespół Aspe mierzył fotony, przepuszczając je przez spolaryzowaną soczewkę, co eliminowało ich stan splątania – będący cechą charakterystyczną ich falowej natury – powodując, że fotony wybierać jeden klasyczny kierunek polaryzacji. Podobnie pomiar atomów biorących udział w eksperymencie z podwójną szczeliną zmusza ich do wyboru pomiędzy przejściem przez prawą lub lewą szczelinę.

Mechanika kwantowa dostarcza nam niezwykłego uzasadnienia tego zjawiska; lecz jedyne wyjaśnienie tego, co widzimy – rezultatu doświadczenia – nie dotyczy tego, co dzieje się, gdy nie obserwujemy. Ponieważ jednak możemy tylko widzieć i mierzyć, prawdopodobnie nie ma sensu wymagać więcej od obiektów kwantowych. Jak ocenić słuszność lub poprawność doniesienia o zjawisku, którego nigdy, nawet teoretycznie, nie jesteśmy w stanie zweryfikować? Gdy tylko spróbujemy tego, zmieniamy wynik.

Kwantowa interpretacja eksperymentu z podwójną szczeliną jest taka, że ​​w dowolnym momencie każdy atom musi być opisany zbiorem liczb określających jego prawdopodobne położenie w przestrzeni. Jest to wskaźnik, który opisaliśmy w Rozdziale 2 jako funkcja falowa. Mówiliśmy wtedy o funkcji falowej na przykładzie śledzenia fali przestępczości w miarę jej rozprzestrzeniania się w mieście, poprzez określenie prawdopodobieństwa rabunków w różnych obszarach. Podobnie funkcja falowa opisująca przejście atomu przez dwie szczeliny wyznacza prawdopodobieństwo znalezienia go w dowolnym punkcie aparatu w dowolnym momencie. Ale, jak wyjaśniliśmy wcześniej, jeśli złodziej musi mieć jedno położenie w przestrzeni i czasie, a fala „prawdopodobieństwa przestępstwa” opisuje jedynie nasz brak wiedzy o jego rzeczywistym położeniu, to odwrotnie, funkcja falowa atomu w eksperyment z podwójną szczeliną jest realne, to znaczy opisuje fizyczną pozycję atomu, która w rzeczywistości nie ma określonej pozycji, chyba że ją zmierzymy. Atom znajduje się więc we wszystkich miejscach jednocześnie – oczywiście ze zmiennym prawdopodobieństwem, tak że raczej nie znajdziemy atomu w miejscach, gdzie jego funkcja falowa jest mała.

Zatem zamiast pojedynczych atomów brać udział w eksperymencie z podwójną szczeliną, musimy wziąć pod uwagę funkcję falową przechodzącą ze źródła na tylny ekran. Podczas przechodzenia przez szczeliny funkcja falowa jest dzielona na dwie części i każda połowa przechodzi przez jedną ze szczelin. Należy zauważyć, że opisujemy tutaj sposób, w jaki abstrakcja matematyczny liczba zmienia się w czasie. Nie ma sensu pytać co W rzeczywistości dzieje się, ponieważ musimy patrzeć, aby sprawdzić. Ale gdy tylko spróbujemy to zrobić, zniekształcamy wynik.

Powstaje pytanie: kiedy funkcja falowa „zamienia się” z powrotem w zlokalizowany atom? Odpowiedzmy: kiedy próbujemy określić jego położenie. Przy takim pomiarze funkcja fali kwantowej rozpada się aż do jednego prawdopodobieństwa. To znowu nie jest tak, jak w przypadku rabusia, gdzie niepewność co do miejsca jego pobytu zostaje nagle zredukowana do jednego punktu, po czym zostaje zatrzymany przez policję. W tym przypadku ustalenie miało wpływ na nasze informacje o lokalizacji bandyty. Zawsze był tylko w jednym miejscu w danym czasie. Ale w przypadku atomu tak nie jest; w przypadku braku jakiegokolwiek wymiaru atom jest naprawdę wszędzie.

Zatem funkcja fali kwantowej oblicza prawdopodobieństwo znalezienia atomu w określonym miejscu, gdzie możemy zmierzyć jego położenie w danym czasie. Jeżeli funkcja falowa przed pomiarem jest duża, prawdopodobieństwo wykrycia atomu będzie wysokie. Ale tam, gdzie jest mały, być może z powodu niszczycielskiej interferencji fal, prawdopodobieństwo znalezienia atomu, jeśli chcemy poszukać, jest odpowiednio niskie.

Możemy sobie wyobrazić funkcję falową opisującą pojedynczy atom po opuszczeniu przez niego źródła. Zachowuje się jak fala, która zmierza do szczelin, tak że na poziomie pierwszego ekranu jej amplituda będzie w każdej szczelinie jednakowa. Jeśli umieścimy sondę w jednej ze szczelin, powinniśmy spodziewać się równych prawdopodobieństw: w 50% przypadków wykryjemy atom w lewej szczelinie i w 50% przypadków w prawej szczelinie. Ale - i to ważne - jeśli nie spróbujemy wykryć atomu na poziomie pierwszego ekranu, to funkcja falowa przenika przez obie szczeliny bez zniszczenia. Zatem w ujęciu kwantowym możemy mówić o funkcji falowej, która opisuje pojedynczy atom w jego superpozycji: jego istnieniu w dwóch miejscach jednocześnie, co odpowiada jego funkcji falowej przechodzącej jednocześnie przez prawą i lewą szczelinę.

Po drugiej stronie szczelin każda pojedyncza część funkcji falowej, jedna z lewej i jedna z prawej szczeliny, rozchodzi się ponownie i tworzy zbiór fal matematycznych, które nakładają się, w niektórych punktach wzmacniając, a w innych znosząc swoje amplitudy . Łączny efekt jest taki, że funkcja falowa ma wzór charakterystyczny dla innych zjawisk falowych, takich jak światło. Pamiętajmy jednak, że ta złożona funkcja falowa jest nadal charakterystyczna dla pojedynczego atomu.

Na drugim ekranie, na którym dokonywany jest ostateczny pomiar położenia atomu, funkcja falowa pozwala obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w różnych punktach ekranu. Jasne paski na ekranie odpowiadają pozycjom, w których dwie części funkcji falowej wychodzące z dwóch szczelin wzmacniają się, a ciemne paski odpowiadają pozycjom, w których znoszą się wzajemnie i dają zerowe prawdopodobieństwo znalezienia atomu w te pozycje.

Należy pamiętać, że ten proces wzmacniania i neutralizacji – interferencja kwantowa – zachodzi nawet przy udziale pojedynczej cząstki. Pamiętaj, że na ekranie są obszary, do których emitowane jednocześnie atomy mogą dotrzeć tylko przy otwartej jednej szczelinie i które pozostają nieosiągalne przy otwartych obu szczelinach. Ma to sens tylko wtedy, gdy każdy atom wystrzelony z działa atomowego jest opisany funkcją falową, która może przebiegać obiema drogami jednocześnie. Połączona funkcja falowa z obszarami interferencji konstruktywnej i destrukcyjnej eliminuje możliwość wykrycia atomu w niektórych pozycjach ekranu dostępnych tylko przez jedną otwartą szczelinę.

Wszystkie cząstki kwantowe, niezależnie od tego, czy są to cząstki elementarne, atomy czy cząsteczki złożone z tych cząstek, zachowują się podobnie do fal, dzięki czemu mogą ze sobą oddziaływać. W takim stanie kwantowym mogą wykazywać dowolne dziwne zachowania kwantowe, takie jak przebywanie w dwóch miejscach na raz, wirowanie w obu kierunkach jednocześnie, przechodzenie przez nieprzeniknione bariery, czy dziwnie splątane połączenia z odległymi partnerami.

W takim razie dlaczego ty lub ja, którzy jesteśmy zbudowani z cząstek kwantowych, nie możemy być w dwóch miejscach jednocześnie? Byłoby to bardzo przydatne w naszych zabieganych czasach. Odpowiedź na to jest bardzo prosta: im większe i masywniejsze jest ciało, tym mniej ma właściwości falowych, a ciało o masie i rozmiarach człowieka lub coś innego wystarczająco dużego i widocznego gołym okiem będzie miało tak mały kwant długości fali, że nie ma to mierzalnego efektu. Ale jeśli przyjrzysz się głębiej, możesz pomyśleć, że każdy atom w twoim ciele jest obserwowany lub mierzony przez inne atomy wokół niego, więc wszelkie minimalne właściwości kwantowe, jakie może posiadać, ulegają bardzo szybkiemu zniszczeniu.

Co w takim razie rozumiemy przez „pomiar”? Odpowiedzieliśmy już krótko na to pytanie w rozdziale 1, ale teraz musimy przyjrzeć się mu bardziej szczegółowo, ponieważ jest to kluczowy punkt w pytaniu, jak duży jest składnik kwantowy w biologii kwantowej.

<<< Назад

Do przodu >>>

3) A ponieważ jest to teoria kwantowa, czasoprzestrzeń może robić to wszystko jednocześnie. Może jednocześnie stworzyć dziecięcy wszechświat i go nie stworzyć.

Tkanina czasoprzestrzeni może w ogóle nie być tkaniną, ale składa się z odrębnych elementów, które tylko nam wydają się ciągłą tkaniną w dużych skalach makroskopowych.

4) W większości podejść do grawitacji kwantowej czasoprzestrzeń nie jest fundamentalna, ale składa się z czegoś innego. Mogą to być struny, pętle, kubity lub warianty „atomów” czasoprzestrzeni, które pojawiają się w podejściu do materii skondensowanej. Poszczególne elementy można rozebrać jedynie przy użyciu najwyższych energii, znacznie przekraczających te dostępne nam na Ziemi.

5) W niektórych podejściach do materii skondensowanej czasoprzestrzeń ma właściwości ciała stałego lub ciekłego, to znaczy może być elastyczna lub lepka. Jeśli rzeczywiście tak jest, obserwowalne konsekwencje są nieuniknione. Fizycy szukają obecnie śladów takich efektów w wędrujących cząstkach, czyli w świetle czy elektronach docierających do nas z kosmosu.

Schematyczna animacja ciągłej wiązki światła rozpraszanej przez pryzmat. W niektórych podejściach do grawitacji kwantowej przestrzeń może działać jako ośrodek dyspersyjny dla różnych długości fal światła

6) Czasoprzestrzeń może wpływać na sposób, w jaki przechodzi przez nią światło. Może nie być całkowicie przezroczysty lub różne kolory światła mogą przemieszczać się z różnymi prędkościami. Jeśli czasoprzestrzeń kwantowa wpływa na propagację światła, to również będzie można zaobserwować w przyszłych eksperymentach.

7) Fluktuacje w czasoprzestrzeni mogą zniszczyć zdolność światła z odległych źródeł do tworzenia wzorów interferencyjnych. Efektu tego szukano i nie znaleziono, przynajmniej w zakresie widzialnym.

Światło przechodzące przez dwie grube szczeliny (na górze), dwie cienkie szczeliny (w środku) lub jedną grubą szczelinę (na dole) wykazuje interferencję, co wskazuje na jego falową naturę. Jednak w grawitacji kwantowej niektóre oczekiwane właściwości interferencyjne mogą nie być możliwe

8) W obszarach o dużej krzywiźnie czas może zamienić się w przestrzeń. Może się to zdarzyć na przykład we wnętrzu czarnych dziur lub podczas Wielkiego Wybuchu. W tym przypadku znana nam czasoprzestrzeń z trzema wymiarami przestrzennymi i jednym wymiarem czasowym może zamienić się w czterowymiarową przestrzeń „euklidesową”.

Połączenie dwóch różnych miejsc w przestrzeni lub czasie przez tunel czasoprzestrzenny pozostaje jedynie koncepcją teoretyczną, ale może być nie tylko interesujące, ale także nieuniknione w grawitacji kwantowej

Czasoprzestrzeń może być nielokalnie połączona z maleńkimi tunelami czasoprzestrzennymi rozciągającymi się na cały wszechświat. Takie nielokalne połączenia muszą istnieć we wszystkich podejściach, których podstawowa struktura nie jest geometryczna, np. wykres lub sieć. Dzieje się tak dlatego, że w takich przypadkach pojęcie „bliskości” nie będzie fundamentalne, ale konsekwentne i niedoskonałe, tak że odległe obszary mogą zostać przypadkowo połączone.

10) Być może, aby ujednolicić teorię kwantową z grawitacją, musimy zaktualizować nie grawitację, ale samą teorię kwantową. Jeśli tak się stanie, konsekwencje będą dalekosiężne. Ponieważ teoria kwantowa leży u podstaw wszystkich urządzeń elektronicznych, ponowne jej rozważenie otworzy zupełnie nowe możliwości.

Chociaż grawitacja kwantowa jest często postrzegana jako koncepcja czysto teoretyczna, istnieje wiele możliwości testowania eksperymentalnego. Każdy z nas codziennie podróżuje w czasoprzestrzeni. Zrozumienie tego może zmienić nasze życie.

Do nieznanych artefaktów współczesnej struktury świata należą tajemnice fizyki kwantowej. Nie da się dokończyć budowy mechanicznego obrazu otaczającej przestrzeni, opierając się wyłącznie na tradycyjnej wiedzy z klasycznej teorii fizyki. Oprócz klasycznej teorii fizycznej, na poglądy na temat organizacji struktury rzeczywistości fizycznej duży wpływ ma teoria pól elektromagnetycznych skonstruowana po raz pierwszy przez Maxwella. Można argumentować, że właśnie wtedy rozpoczął się etap podejścia kwantowego we współczesnej fizyce.

Nowy etap w rozwoju teorii kwantów związany był z pracami badawczymi słynnego fizyka eksperymentalnego Maxa Plancka, które zszokowały środowisko naukowe. Główny impuls do rozwoju fizyki kwantowej rozpoczął się i został naznaczony próbą rozwiązania problemu naukowego, badania fal elektromagnetycznych.

Klasyczna koncepcja fizycznej istoty materii nie pozwalała uzasadnić zmian w wielu właściwościach innych niż mechaniczne. Badana substancja nie przestrzegała klasycznych praw fizyki, co stwarzało nowe problemy badawcze i wymuszało badania naukowe.

Planck odszedł od klasycznej interpretacji teorii naukowej, która nie w pełni odzwierciedlała realność zachodzących zjawisk, proponując swoją wizję i formułując hipotezę o dyskretności emisji energii przez atomy materii. Takie podejście pozwoliło nam rozwiązać wiele punktów blokujących klasyczną teorię elektromagnetyzmu. Ciągłość procesów leżących u podstaw reprezentacji praw fizycznych nie pozwalała na obliczenia, nie tylko z błędem kompromisowym, ale czasami nie oddawała istoty zjawisk.

Kwantowa teoria Plancka, zgodnie z którą stwierdza się, że atomy są w stanie emitować energię elektromagnetyczną tylko w oddzielnych porcjach, a nie jak wcześniej stwierdzono o ciągłości procesu, pozwoliła na dalszy rozwój fizyki jako kwantowej teorii procesów. Teoria korpuskularna stwierdzała, że ​​energia jest emitowana w sposób ciągły i to była główna sprzeczność.

Jednak tajemnice fizyki kwantowej pozostają nieznane do samego rdzenia. Tyle, że eksperymenty Plancka pozwoliły rozwinąć zrozumienie złożoności budowy otaczającego świata i organizacji materii, ale nie pozwoliły całkowicie postawić kropki nad „i”. Ten fakt niekompletności pozwala naukowcom naszych czasów kontynuować pracę nad rozwojem teoretycznych badań kwantowych.

Więcej artykułów na ten temat:

• 9 kwietnia 2012 -- (0)
  Einstein, próbując porównać różnice w podstawach mechaniki klasycznej, doszedł do wniosku, że inne zasady fizyki kwantowej, oparte na stałości prędkości światła i zasadach...
• 26 marca 2012 -- (2)
  Któregoś dnia zasoby ropy i metali na naszej planecie się wyczerpią i będziemy musieli szukać innych naturalnych źródeł pożywienia dla naszej cywilizacji. I wtedy z pomocą mogą przyjść nam organizacje biologiczne...
• 11 marca 2012 -- (4)
  Konstrukcja ta to gigantyczna zamknięta wstęga paneli fotowoltaicznych. Jego długość wynosi około 11 tysięcy kilometrów, a szerokość 400 kilometrów. Naukowcy mieli zbudować...
• 11 kwietnia 2012 -- (0)
  Jak wiadomo Amerykanie wybrukowali obszar porównywalny ze stanem Pensylwania. Jeszcze kilka lat temu nawet w najśmielszych snach nie wyobrażaliśmy sobie, że zamiast betonu moglibyśmy...