cuantică

Măsurarea cuantică sau Cum apare realitatea la nivel atomic

Lumea la scară subatomică este, ca să spunem ușor, ciudată. Particulele nu se comportă deloc ca obiecte din viața de zi cu zi. Fizicienii au fost bântuite de zeci de ani de motivul pentru care acesta este cazul. Sunt ipoteze neînțelese care explică comportamentul electronilor, sau micromondo va rămâne cu adevărat un mister pentru noi pentru totdeauna?

Predicțiile teoretice ale mecanicii cuantice au cauzat confuzii considerabile în fizică. Particulele se comportă o dată ca un val, alteori ca niște corpuri obișnuite. În plus, parcă ar fi trecut prin mai multe locuri simultan. Dar când oamenii de știință au încercat să investigheze problema experimental, particularitățile reflecției au dispărut. Totul părea complet normal. Ce a cauzat această schimbare? Acesta este probabil cel mai mare mister al mecanicii cuantice, pe care mai multe ipoteze încearcă să îl rezolve. Ne vom imagina pe cei mai renumiți patru.

Observatorul este responsabil pentru orice?

Fizicienii teoretici, conduși de Niels Bohr, care era la nașterea teoriei cuantice, au venit cu ipoteza că cu structuri atât de mici precum electronii, intervenția instrumentelor de măsurare în sine sau așa-numitele observator. Aceasta este cea mai veche viziune asupra problemei măsurării cuantice, care se numește interpretare clasică sau de la Copenhaga.

Vom folosi electronul menționat ca exemplu, dar toate structurile micro-lumii se comportă în același mod. Mecanica cuantică nu le descrie cu coordonate exacte, ci cu ajutorul unei funcții de undă, care în loc de coordonate exacte oferă doar probabilitatea de a găsi într-o anumită zonă. Crește odată cu creșterea amplitudinii undei și este cea mai mare la locul vârfului său cel mai înalt. Cu toate acestea, există întotdeauna o anumită probabilitate diferită de zero ca electronul să fie situat practic oriunde în spațiu, chiar și la câțiva ani lumină distanță.

Prin urmare, conform interpretării de la Copenhaga, nu se poate spune nimic clar despre o particulă dată, în cazul nostru despre un electron, cu excepția cazului în care experimentatorul vizează aceasta cu dispozitivele sale. Până acum, de parcă nici nu ar exista în adevăratul sens al cuvântului. Numai datorită experimentului capătă proprietăți și poziții specifice. Aceasta este o consecință a prăbușirii funcției de undă. 1 La locul descoperirii, valul „indică” un singur vârf, ceea ce reprezintă o probabilitate de apariție de 100%. Astfel, particula apare într-o anumită poziție. În toate celelalte locuri din spațiu, funcția de undă este complet echilibrată.

Principiile interpretării de la Copenhaga au devenit sursa diverselor guru și mistificatori. Ei raportează afirmații pseud științifice până la ezoterice despre influența minții asupra realității, se referă la mecanica cuantică, pe care, de fapt, o interpretează greșit. Interpretările lor sună științific, dar sunt prostii.

Ceva lipsește în continuare

Interpretarea clasică nu a fost în general acceptată. Lui Einstein nu-i plăcea ideea unui electron format, ca să spunem așa, de un observator. Îi plăcea să-l întrebe pe Bohra întrebând dacă Luna există doar pentru că șoarecele se uită la ea. El credea într-un aranjament al lumii cu coordonate clare, în care rezultatul poate fi prezis cu precizie și nu este limitat de probabilități fără sens.

De asemenea, l-a infectat pe tânărul fizician David Bohm cu aceste idei, care și-a dezvoltat în cele din urmă propriul concept de mecanică cuantică. El a susținut că electronii există independent de observație. Pur și simplu nu diferă de obiectele obișnuite. Cu toate acestea, astfel încât calculele să funcționeze corect, el a trebuit să introducă un parametru suplimentar în ecuații, un fel de potențial cuantic. Aceasta este o analogie mai complexă a funcției de undă Schrödinger clasice. Bohm l-a caracterizat ca un fel de câmp compus dintr-un număr infinit de unde care se intersectează. Această funcție nu este atribuită fiecărei particule separat, dar există „alături” ca o parte separată a realității răspândită în univers. Deși niciun dispozitiv nu îl poate captura, influența sa nu este neglijabilă la nivelul micromondei.

Funcția de undă a lui Bohm nu indică deloc o probabilitate, ci afectează direct electronul. Parcă stătea în fundal, adulmecându-l într-o anumită locație. Acest mecanism este responsabil pentru asigurarea faptului că particula apare într-o anumită locație. Experimentatorul nu scoate obiectul din supa incertitudinilor, așa cum pretinde interpretarea de la Copenhaga, ci influențează potențialul cuantic. Din acest câmp depinde starea electronului și nu de interferențele externe.

Cu toate acestea, conceptul de parametru ascuns nu poate explica în mod satisfăcător așa-numitul „Acțiune amenințătoare la distanță”. Într-o pereche de electroni "cuplați" cuantici, o particulă răspunde la o schimbare a stării cuantice a altuia, indiferent de distanță. Într-un astfel de caz, potențialul cuantic ar trebui să transmită informații despre obiecte individuale la o viteză superiluminată, ceea ce este contrar teoriei speciale a relativității. 2

Lumi paralele

Probabil cea mai controversată explicație a particularităților cuantice a fost prezentată în 1957 ca disertație de către un student la Universitatea Princeton, Hugh Everett. La fel ca David Bohm, el a fost de părere că lumea atomilor nu este diferită de lumea macro. Deci, nu există parametri nedeterminați. Mai mult, nu are nevoie de un observator și nici nu necesită prezența unei unde de control sau a unei alte funcții. Deci, care este captura? Întregul său concept se bazează pe premisa că universul nostru este unul dintr-un număr infinit de alții.

Everett a exclus complet noțiunea de probabilitate din mecanica cuantică. Toate, inclusiv cele mai puțin concepute evenimente, care descrie funcția de undă sau matricile Heisenberg, se va întâmpla cu adevărat - într-o altă lume. Universul se desparte în fiecare moment, făcând copii ale sale ori de câte ori apar multiple rezultate potențiale.

Numai din cauza unui singur electron există o grămadă de universuri speciale care se înmulțesc și mai mult. Și acest lucru se aplică fiecărei particule, tuturor obiectelor din jurul ei și, bineînțeles, oamenilor. Deci, potrivit lui Everett, există nenumărate lumi separate în care există „clone” ale fiecăruia dintre noi. Acestea pot fi aproape identice sau complet diferite. (Am scris și despre universuri paralele din punctul de vedere al mecanicii cuantice în acest articol.) Alți fizicieni au considerat inițial că lucrarea este mai degrabă un produs al unei minți pline de fantezie decât de un solid ipoteză. Teoriile științifice se bazează pe principiul aparatului de ras al lui Occam, potrivit căruia - dacă alte circumstanțe sunt comparabile - se preferă o soluție mai simplă. Cu toate acestea, ideea unui număr infinit de realități diferite nu este cu siguranță așa. De asemenea, aduce cu sine o serie de întrebări morale. in orice caz predicțiile acestei interpretări la nivel mondial nu diferă în niciun fel de rezultatele interpretărilor menționate mai sus.

Intervenția mediului

Cu toate acestea, se dovedește că ecuațiile comune nu necesită adăugiri, cum ar fi lumile paralele sau rolul special al observatorului pe care stau alte interpretări, atâta timp cât acestea se aplică structurilor neizolate. Toate particularitățile apar doar în notații, care sunt formulate pentru lumea din interiorul atomilor sau pentru particulele izolate din mediu. Cu toate acestea, în condiții reale, spațiul înconjurător este înghesuit direct cu alte particule care interacționează între ele.

Acest proces poate înlocui teoretic rolul observatorului, deoarece forma funcției de undă este ajustată direct de câmpurile și corpurile din jur.. Rezultatul ar fi același cu faptul că, după intervenția dispozitivului de măsurare, valul se prăbușește într-un anumit loc. Starea finală este apoi determinată de statistici convenționale, similar cu o aruncare de monede. Conform calculelor, întregul procesul durează foarte puțin și cu cât mediul este mai dens cu cât este mai rapid. De exemplu, funcția de undă a unui bob de praf în adâncurile cele mai adânci ale universului se prăbușește după doar o milionime de secundă. Dacă se află în condiții normale, cum ar fi un apartament, valul său se prăbușește în 10-36 de secunde.

Acest proces se mai numește și decoerență. A devenit cunoscut în principal datorită unei lucrări publicate în 1970 de fizicianul german Dieter Zeh. Cu toate acestea, oamenii de știință încă nu sunt de acord cu privire la faptul dacă este doar o ipoteză sau o adevărată proprietate a particulelor și a tuturor obiectelor în general. Cu toate acestea, au fost deja efectuate mai multe experimente în favoarea decoerenței.

De-a lungul deceniilor, au apărut o serie de alte explicații mai mult sau mai puțin controversate ale problemei măsurării cuantice. De exemplu, unii vorbesc despre dovada existenței unui Dumnezeu omniprezent care înlocuiește rolul de observator. Dar poate cea mai ușoară cale este să accepți faptul că nu se înțelege niciodată misterele la cel mai mic nivel.

În sfârșit, să ne reamintim cuvintele geniului fizician american Richard Feynman, care a rezumat problema cu afirmația: „Teoria mecanicii cuantice descrie natura ca fiind absurdă din punct de vedere al bunului simț. Și este pe deplin de acord cu experimentul. De aceea, sper că veți putea accepta natura așa cum este - absurdă ".

Note
1. Comportamentul funcției de undă în spațiu și timp este descris de ecuația formulată de Erwin Schrödinger pentru a descrie mișcarea unui electron în interiorul unui atom. Cu toate acestea, chiar și creatorul însuși nu știa cum să înțeleagă natura funcției. Abia când fizicianul german Max Born a sugerat că reprezintă probabilitatea și a introdus și procesul de colaps într-o anumită locație.
2. Paradoxal, acest comportament al particulelor a fost descris pentru prima dată de Albert Einstein împreună cu Boris Podolsky și Nathan Rosen. El a avut inițial ideea de a submina realizările mecanicii cuantice. Cel puțin Einstein nu a trăit pentru a vedea verificarea experimentală. Ideea a fost preluată în 1964 de spiritul irlandez John Bell. Rezultatul a fost o teoremă care a permis în cele din urmă confirmarea unui astfel de comportament.

Resurse
Brian Greene - Structura universului (timpul, spațiul și natura realității), Paseka (2012)
Timothy Ferris - Totul despre univers, Remedium (2005)
John Gribbin - Pisoii Schrodinger, Columb, (2001)

Michio Kaku - Hyperspace, Argo, Dokořán (2008)