Никой на този свят не разбира какво е квантовата механика. Това е може би най-важното, което трябва да знаете за нея. Разбира се, много физици са се научили да използват закони и дори да прогнозират явления въз основа на квантовите изчисления. Но все още не е ясно защо наблюдателят на експеримента определя поведението на системата и я кара да вземе едно от двете състояния.
Ето няколко примера за експерименти с резултати, които неизбежно ще се променят под влияние на наблюдателя. Те показват, че квантовата механика практически се занимава с намесата на съзнателната мисъл в материалната реалност.
Днес има много тълкувания на квантовата механика, но Копенхагенската интерпретация е може би най-известната. През 20-те години нейните общи постулати са формулирани от Нилс Бор и Вернер Хайзенберг.
Копенхагенската интерпретация се основава на вълновата функция. Това е математическа функция, която съдържа информация за всички възможни състояния на квантова система, в която съществува едновременно. Според интерпретацията от Копенхаген състоянието на една система и нейното положение спрямо други състояния могат да се определят само чрез наблюдение (вълновата функция се използва само за математическо изчисляване на вероятността за намиране на система в едно или друго състояние).
Можем да кажем, че след наблюдение, квантовата система става класическа и веднага престава да съществува в други състояния, различни от тези, в които е била наблюдавана. Този извод намери своите противници (спомнете си прочутия Айнщайн „Бог не играе на зарове“), но точността на изчисленията и прогнозите все пак имаше своето.
Въпреки това броят на привържениците на интерпретацията от Копенхаген намалява, а основната причина за това е мистериозният мигновен срив на вълновата функция по време на експеримента. Известният мисловен експеримент на Ервин Шрьодингер с лоша котка трябва да демонстрира абсурдността на това явление. Нека си спомним подробностите.
Вътре в черната кутия седи черна котка, а с нея бутилка отрова и механизъм, който може произволно да освободи отрова. Например, радиоактивен атом може да счупи мехур по време на разпад. Точното време на разпад на атома не е известно. Известен е само полуживотът, по време на който гниенето протича с вероятност 50%.
Очевидно е, че за външен наблюдател котката в кутията е в две състояния: или е жива, ако всичко е минало добре, или е мъртва, ако е имало гниене и бутилката се е счупила. И двете тези състояния са описани от вълновата функция на котката, която се променя с времето.
Промоционално видео:
Колкото повече време е минало, толкова по-вероятно е да се е случило радиоактивно разпад. Но щом отворим кутията, вълновата функция се срива и веднага виждаме резултатите от този нечовешки експеримент.
Всъщност, докато наблюдателят не отвори кутията, котката безкрайно ще балансира между живота и смъртта или ще бъде жива и мъртва едновременно. Съдбата му може да се определи само от действията на наблюдател. Този абсурд бе посочен от Шрьодингер.
1. Дифракция на електрони
Според проучване на известни физици от The New York Times, експериментът с дифракция на електрон е едно от най-невероятните проучвания в историята на науката. Каква е неговата природа? Има източник, който излъчва електронен лъч върху чувствителен към светлина екран. И има пречка на пътя на тези електрони, медна плоча с две прорези.
Каква картина можете да очаквате на екрана, ако електроните обикновено ни се представят като малки заредени топки? Две ивици срещу прорезите в медната плоча. Но в действителност на екрана се появява много по-сложен модел на редуващи се бели и черни ивици. Това се дължи на факта, че когато преминават през процепа, електроните започват да се държат не само като частици, но и като вълни (фотоните или други светлинни частици се държат по същия начин, което може да бъде вълна в същото време).
Тези вълни си взаимодействат в пространството, се сблъскват и подсилват една друга и в резултат на екрана се показва сложен модел на редуващи се светли и тъмни ивици. В същото време резултатът от този експеримент не се променя, дори ако електрони преминават един по един - дори една частица може да бъде вълна и да премине едновременно през две прорези. Този постулат беше един от основните в копенхагенската интерпретация на квантовата механика, когато частиците могат едновременно да демонстрират своите "обикновени" физически свойства и екзотични свойства като вълна.
Но какво да кажем за наблюдателя? Именно той прави тази заплетена история още по-объркваща. Когато физиците по време на подобни експерименти се опитваха да определят с помощта на инструменти, през които процепа всъщност преминава електронът, картината на екрана се променя драстично и става „класическа“: с две светещи секции, точно срещу прорезите, без редуващи се ивици.
Електроните изглеждаха неохотни да разкрият вълновата си природа пред зоркото око на наблюдателите. Изглежда загадка, обгърната в мрак. Но има и по-просто обяснение: наблюдението на системата не може да се извърши без физическото й въздействие. Ще обсъдим това по-късно.
2. Загряти фулерени
Експериментите с дифракция на частици бяха проведени не само с електрони, но и с други, много по-големи обекти. Например, те са използвали фулерени, големи и затворени молекули, състоящи се от няколко десетки въглеродни атоми. Наскоро група учени от университета във Виена, водени от професор Цайлингер, се опитаха да включат елемент на наблюдение в тези експерименти. За да направят това, те облъчват движещите се молекули от фулерен с лазерни лъчи. След това, нагряти от външен източник, молекулите започват да светят и неизбежно показват присъствието си за наблюдателя.
Заедно с това нововъведение се промени и поведението на молекулите. Преди началото на такова цялостно наблюдение фулерените бяха доста успешни в избягването на препятствия (проявяващи вълнови свойства), подобно на предишния пример с електрони, удрящи екрана. Но с присъствието на наблюдател фулерените започнаха да се държат като напълно законосъобразни физически частици.
3. Размер на охлаждане
Един от най-известните закони в света на квантовата физика е принципът на несигурността на Хайзенберг, според който е невъзможно да се определи скоростта и положението на квантов обект едновременно. Колкото по-точно измерваме импулса на дадена частица, толкова по-точно можем да измерим нейното положение. В нашия макроскопичен реален свят обаче валидността на квантовите закони, действащи върху мъничките частици, обикновено остава незабелязана.
Последните експерименти на професор Шваб от САЩ дават много ценен принос в тази област. Квантовите ефекти в тези експерименти бяха демонстрирани не на нивото на електроните или фулереновите молекули (с приблизителен диаметър 1 nm), а върху по-големи обекти, мъничка алуминиева лента. Тази лента беше фиксирана от двете страни, така че средата й да е в окачено състояние и да може да вибрира под външно влияние. Освен това наблизо беше поставено устройство, което може точно да запише положението на лентата. Експериментът разкри няколко интересни неща. Първо, всяко измерване, свързано с позицията на обекта и наблюдението на лентата, е засегнало, след всяко измерване позицията на лентата се променя.
Експериментаторите определят координатите на лентата с висока точност и по този начин, в съответствие с принципа на Хайзенберг, променят скоростта си и оттам следващата позиция. Второ, съвсем неочаквано, някои измервания доведоха до охлаждане на лентата. По този начин наблюдателят може да промени физическите характеристики на обектите само с присъствието си.
4. Замразяващи частици
Както знаете, нестабилните радиоактивни частици се разпадат не само при експерименти с котки, но и сами. Всяка частица има средна продължителност на живота, която, както се оказва, може да се увеличи под зоркия поглед на наблюдател. Този квантов ефект беше прогнозиран още през 60-те години, а блестящите му експериментални доказателства се появиха в документ, публикуван от група, ръководена от Нобеловия лауреат по физика Волфганг Кеттерле от Масачузетския технологичен институт.
В тази работа беше проучен разпадът на нестабилни възбудени атоми на рубидий. Веднага след подготовката на системата атомите се възбуждат с помощта на лазерен лъч. Наблюдението се проведе в два режима: непрекъснат (системата беше постоянно изложена на малки светлинни импулси) и импулсна (системата се облъчваше с по-мощни импулси от време на време).
Получените резултати бяха в пълно съответствие с теоретичните прогнози. Външните светлинни ефекти забавят разпадането на частиците, връщайки ги в първоначалното си състояние, което е далеч от състоянието на разпад. Големината на този ефект също беше в съответствие с прогнозите. Максималният живот на нестабилните възбудени атоми на рубидий се увеличава 30 пъти.
5. Квантова механика и съзнание
Електроните и фулерените спират да показват своите вълнови свойства, алуминиевите плочи се охлаждат, а нестабилните частици забавят разпадането си. Внимателното око на гледащия буквално променя света. Защо това не може да бъде доказателство за участието на нашия ум в работата на света? Може би Карл Юнг и Волфганг Паули (австрийски физик, Нобелов лауреат, пионер на квантовата механика) бяха в края на краищата, когато казаха, че законите на физиката и съзнанието трябва да се разглеждат като взаимно допълващи се?
Ние сме на една крачка от това да признаем, че светът около нас е просто илюзорен продукт на нашия ум. Идеята е страшна и примамлива. Нека се опитаме отново да се обърнем към физиците. Особено през последните години, когато все по-малко хора вярват, че копенхагенската интерпретация на квантовата механика с нейната криптична вълнова функция се срива, като се позовава на по-светски и надежден декор.
Въпросът е, че при всички тези експерименти с наблюдения експериментаторите неизбежно влияят върху системата. Запалиха го с лазер и инсталираха измервателни уреди. Те бяха обединени от важен принцип: не можете да наблюдавате система или да измервате нейните свойства, без да взаимодействате с нея. Всяко взаимодействие е процес на промяна на свойствата. Особено когато малка квантова система е изложена на колосални квантови обекти. Някой вечно неутрален будистки наблюдател по принцип е невъзможен. И тук в играта влиза терминът „декохерентност“, което е необратимо от гледна точка на термодинамиката: квантовите свойства на една система се променят при взаимодействие с друга голяма система.
По време на това взаимодействие квантовата система губи първоначалните си свойства и става класическа, сякаш „се подчинява“на голяма система. Това обяснява и парадокса на котката на Шрьодингер: котката е твърде голяма система, така че не може да бъде изолирана от останалия свят. Самият дизайн на този мисловен експеримент не е напълно правилен.
Във всеки случай, ако приемем реалността на акта на творение чрез съзнанието, декохерентността изглежда е много по-удобен подход. Може би дори твърде удобно. С този подход целият класически свят се превръща в едно голямо последствие от декохерентността. И както заяви авторът на една от най-известните книги в областта, този подход логично води до твърдения като „няма частици в света“или „няма време на фундаментално ниво“.
Вярно ли е в творец-наблюдател или в мощна декохерентност? Трябва да избираме между две злини. Независимо от това, учените са все по-убедени, че квантовите ефекти са проява на нашите умствени процеси. И къде наблюдението свършва и реалността започва, зависи от всеки от нас.
Въз основа на материали от topinfopost.com