Novērotāja mīkla: 5 slaveni kvantu eksperimenti

Neviens pasaulē nesaprot kvantu mehāniku - tas ir galvenais, kas jums par to jāzina. Jā, daudzi fiziķi ir iemācījušies izmantot tā likumus un pat prognozēt parādības, izmantojot kvantu aprēķinus. Bet joprojām nav skaidrs, kāpēc novērotāja klātbūtne nosaka sistēmas likteni un liek tai izdarīt izvēli par labu vienai valstij. “Teorijas un prakse” izvēlējās eksperimentu piemērus, kuru iznākumu nenovēršami ietekmē novērotājs, un mēģināja saprast, ko kvantu mehānika darīs ar šādu apziņas iejaukšanos materiālajā realitātē.

Šrēdingera kaķis

Mūsdienās ir daudz kvantu mehānikas interpretāciju, no kurām vispopulārākā joprojām ir Kopenhāgena. Tās galvenos noteikumus 1920. gados formulēja Nīls Bohrs un Verners Heisenbergs. Un par Kopenhāgenas interpretācijas centrālo terminu ir kļuvusi viļņu funkcija - matemātiska funkcija, kas satur informāciju par visiem iespējamiem kvantu sistēmas stāvokļiem, kuros tā vienlaikus atrodas.

Saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju sistēmas stāvokli var noteikt noteiktam, un tikai novērošana to var atšķirt no pārējā (viļņu funkcija palīdz tikai matemātiski aprēķināt sistēmas noteikšanas varbūtību vienā vai otrā stāvoklī). Mēs varam teikt, ka pēc novērošanas kvantu sistēma kļūst klasiska: tā uzreiz pārstāj pastāvēt vienlaikus daudzos štatos par labu vienam no tiem.

Šādai pieejai vienmēr ir bijuši pretinieki (atcerieties vismaz Alberta Einšteina "Dievs nespēlē kauliņus"), taču aprēķinu un pareģojumu precizitāte atnesa savu. Tomēr pēdējos gados Kopenhāgenas interpretācijas atbalstītāju kļūst arvien mazāk, un ne pēdējais iemesls tam ir tas pats noslēpumainais viļņu funkcijas tūlītējs sabrukums mērīšanas laikā. Ērvina Šrēdingera slavenais domu eksperiments ar nabaga kaķi bija tikai paredzēts, lai parādītu šīs parādības absurdumu.

Atgādināsim eksperimenta saturu. Dzīvs kaķis, indes ampula un kāds mehānisms, kas var indi iedarbināt nejaušā brīdī, tiek ievietots melnajā kastē. Piemēram, viens radioaktīvs atoms, kura sabrukšanas rezultātā saplīsīs ampula. Precīzs atoma sabrukšanas laiks nav zināms. Ir zināms tikai pusperiods: laiks, kurā sabrukšana notiks ar 50% varbūtību.

Izrādās, ka ārējam novērotājam kastē esošais kaķis eksistē uzreiz divos stāvokļos: tas ir vai nu dzīvs, ja viss notiek labi, vai arī miris, ja sabrukums ir noticis un ampula ir salūzusi. Abus šos stāvokļus raksturo kaķa viļņu funkcija, kas laika gaitā mainās: jo tālāk, jo lielāka iespējamība, ka radioaktīvā sabrukšana jau ir notikusi. Bet, tiklīdz lodziņš tiek atvērts, viļņu funkcija sabrūk, un mēs uzreiz redzam noplūšanas eksperimenta iznākumu.

Izrādās, līdz brīdim, kad novērotājs atvērs lodziņu, kaķis uz visiem laikiem balansēs uz robežas starp dzīvību un nāvi, un tikai novērotāja rīcība noteiks viņa likteni. Šeit ir absurds, uz kuru norādīja Šrēdingers.

Elektronu difrakcija

Saskaņā ar vadošo fiziķu aptauju, ko veica The New York Times, eksperiments ar elektronu difrakciju ir kļuvis par vienu no skaistākajiem zinātnes vēsturē. Kāda ir tā būtība?

Ir avots, kas izstaro elektronu plūsmu virzienā uz ekrāna-foto plāksni. Un šo elektronu ceļā ir šķērslis - vara plāksne ar diviem spraugām. Kādu attēlu uz ekrāna jūs varat sagaidīt, ja jūs domājat par elektroniem kā tikai par mazām lādētām bumbiņām? Divas pāreksponētas svītras iepretim spraugām.

Patiesībā uz ekrāna parādās daudz sarežģītāks melnu un baltu svītru maiņas modelis. Fakts ir tāds, ka, kad elektroni iziet cauri spraugām, viņi sāk izturēties nevis kā daļiņas, bet kā viļņi (tāpat kā fotoni, gaismas daļiņas vienlaikus var būt viļņi). Tad šie viļņi mijiedarbojas kosmosā, kaut kur vājina un kaut kur pastiprina viens otru, kā rezultātā ekrānā parādās sarežģīts attēls, kurā mainās gaišas un tumšas svītras.

Šajā gadījumā eksperimenta rezultāts nemainās, un, ja elektroni caur spraugu tiek sūtīti nevis nepārtrauktā plūsmā, bet pa vienam, pat viena daļiņa var vienlaikus būt vilnis. Pat viens elektrons var vienlaikus iziet cauri diviem spraugām (un tas ir vēl viens no Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretācijas svarīgiem noteikumiem - objekti vienlaikus var parādīt gan to "parastās" materiāla īpašības, gan eksotisko viļņu īpašības).

Bet kāds novērotājam ir ar to saistīts? Neskatoties uz to, ka ar viņu jau tā sarežģītais stāsts kļuva vēl sarežģītāks. Kad šādos eksperimentos fiziķi mēģināja salabot ar tādu ierīču palīdzību, pa kurām spraugām elektrons faktiski iziet, attēls uz ekrāna krasi mainījās un kļuva "klasisks": divi apgaismoti laukumi iepretim spraugām un bez svītrām.

Bija tā, it kā elektroni nevēlētos parādīt savu viļņu dabu novērotāja modrās acīs. Mēs pielāgojāmies viņa instinktīvajai vēlmei redzēt vienkāršu un saprotamu ainu. Mistiķis? Ir arī daudz vienkāršāks izskaidrojums: sistēmu nevar uzraudzīt bez fiziskas ietekmes uz to. Bet pie tā mēs atgriezīsimies nedaudz vēlāk.

Apsildāma Fullerene

Daļiņu difrakcijas eksperimenti tika veikti ne tikai ar elektroniem, bet arī ar daudz lielākiem objektiem. Piemēram, fullerēni - lielas, slēgtas molekulas, kas sastāv no desmitiem oglekļa atomu (piemēram, sešdesmit oglekļa atomu fullerēns pēc formas ir ļoti līdzīgs futbola bumbai: dobā sfēra, kas sašūta no piecstūriem un sešstūriem).

Nesen Vīnes universitātes grupa profesora Zeilingera vadībā mēģināja šādos eksperimentos ieviest novērošanas elementu. Lai to izdarītu, viņi ar lāzera staru apstaroja kustīgās fullerēna molekulas. Tad, ārējās ietekmes sakarsētas, molekulas sāka mirdzēt un tādējādi novērotājam neizbēgami atrada savu vietu kosmosā.

Līdz ar šo jauninājumu ir mainījusies arī molekulu uzvedība. Pirms kopējās izsekošanas sākuma fullerēni diezgan veiksmīgi izvairījās no šķēršļiem (parādīja viļņu īpašības), piemēram, iepriekšējā piemēra elektroni, kas iet caur necaurspīdīgu ekrānu. Bet vēlāk, parādoties novērotājam, fullerēni nomierinājās un sāka izturēties kā pilnīgi likumus ievērojošas matērijas daļiņas.

Dzesēšanas mērījumi

Viens no slavenākajiem kvantu pasaules likumiem ir Heizenberga nenoteiktības princips: nav iespējams vienlaikus noteikt kvantu objekta pozīciju un ātrumu. Jo precīzāk mēs izmērām daļiņas impulsu, jo mazāk precīzi var izmērīt tās stāvokli. Bet kvantu likumi, kas darbojas sīko daļiņu līmenī, mūsu lielo makro objektu pasaulē parasti nav redzami.

Tāpēc vērtīgāki ir nesenie ASV profesora Švaba grupas eksperimenti, kuros kvantu efekti tika parādīti nevis to pašu elektronu vai fullerēna molekulu līmenī (to raksturīgais diametrs ir aptuveni 1 nm), bet gan nedaudz taustāmāks priekšmets - niecīga alumīnija sloksne.

Šī sloksne tika piestiprināta abās pusēs tā, lai tās vidus būtu piekārts un varētu vibrēt ārējā ietekmē. Turklāt blakus sloksnei atradās ierīce, kas ar lielu precizitāti varēja reģistrēt savu pozīciju.

Rezultātā eksperimentētāji atklāja divus interesantus efektus. Pirmkārt, jebkurš objekta stāvokļa mērījums, sloksnes novērošana nepagāja, neatstājot tam pēdas - pēc katra mērījuma sloksnes stāvoklis mainījās. Aptuveni runājot, eksperimentētāji ar lielu precizitāti noteica sloksnes koordinātas un tādējādi saskaņā ar Heisenberga principu mainīja ātrumu un līdz ar to arī nākamo pozīciju.

Otrkārt, kas ir diezgan negaidīti, daži mērījumi arī noveda pie sloksnes atdzišanas. Izrādās, ka novērotājs var mainīt objektu fiziskās īpašības tikai ar savu klātbūtni. Tas izklausās neticami, bet, lai godinātu fiziķus, pieņemsim, ka viņi netika pārsteigti - tagad profesora Švaba grupa domā, kā pielietot atklāto efektu elektronisko mikroshēmu dzesēšanai.

Izbalējošas daļiņas

Kā jūs zināt, nestabilas radioaktīvās daļiņas pasaulē sadalās ne tikai eksperimentu ar kaķiem dēļ, bet arī pašas par sevi. Turklāt katrai daļiņai ir raksturīgs vidējais kalpošanas laiks, kas, izrādās, var palielināties novērotāja modrās acīs.

Šis kvantu efekts pirmo reizi tika pareģots pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, un tā izcilais eksperimentālais apstiprinājums parādījās dokumentā, kuru 2006. gadā publicēja Nobela fizikas laureāta grupa Volfgangs Ketterle no Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta.

Šajā darbā tika pētīts nestabilo ierosināto rubīdija atomu (sadalīšanās rubīdija atomos pamatstāvoklī un fotonos) sabrukšana. Uzreiz pēc sistēmas sagatavošanas sāka novērot atomu ierosmi - caur tiem spīdēt ar lāzera staru. Novērojums tika veikts divos režīmos: nepārtraukts (mazie gaismas impulsi tiek pastāvīgi ievadīti sistēmā) un pulsējoši (sistēmu laiku pa laikam apstaro ar jaudīgākiem impulsiem).

Iegūtie rezultāti lieliski sakrīt ar teorētiskajām prognozēm. Ārējās gaismas ietekme patiešām palēnina daļiņu sabrukšanu, it kā atgriežot tās sākotnējā stāvoklī, tālu no sabrukšanas. Šajā gadījumā ietekmes lielums diviem izmeklētajiem režīmiem sakrīt arī ar prognozēm. Un nestabilo ierosināto rubīdija atomu maksimālais mūžs tika pagarināts 30 reizes.

Kvantu mehānika un apziņa

Elektroni un fullerēni vairs nedemonstrē savas viļņu īpašības, alumīnija plāksnes tiek atdzesētas un nestabilas daļiņas sasalst to sabrukšanas laikā: novērotāja visvarena skatiena pasaule mainās. Kas neliecina par mūsu prāta iesaisti apkārtējās pasaules darbā? Tātad varbūt Kārlim Jungam un Volfgangam Pauli (austriešu fiziķis, Nobela prēmijas laureāts, viens no kvantu mehānikas pionieriem) bija taisnība, sakot, ka fizikas un apziņas likumi jāuzskata par papildinošiem?

Bet līdz pienākumu atzīšanai ir atlicis tikai viens solis: visa apkārtējā pasaule ir mūsu prāta iluzors produkts. Rāpojošs? ("Vai jūs tiešām domājat, ka mēness pastāv tikai tad, kad uz to paskatās?" - Einšteins komentēja kvantu mehānikas principus). Tad mēģināsim vēlreiz vērsties pie fiziķiem. Turklāt pēdējos gados viņi arvien mazāk mīl Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretāciju ar tās noslēpumaino funkcijas viļņa sabrukumu, ko aizstāj cits, pilnīgi ikdienišķs un uzticams termins - dekoherence.

Lieta ir šāda: visos eksperimentos, kas aprakstīti ar novērošanu, eksperimentētāji neizbēgami ietekmēja sistēmu. Tas tika apgaismots ar lāzeru, tika uzstādīti mērinstrumenti. Un tas ir vispārējs, ļoti svarīgs princips: jūs nevarat novērot sistēmu, izmērīt tās īpašības, bez mijiedarbības ar to. Un tur, kur notiek mijiedarbība, notiek īpašību izmaiņas. It īpaši, ja kvantu objektu koloss mijiedarbojas ar niecīgu kvantu sistēmu. Tātad novērotāja mūžīgā, budistu neitralitāte nav iespējama.

Tas ir tieši tas, ko izskaidro termins “dekoherence” - termodinamiski neatgriezenisks sistēmas kvantu īpašību pārkāpšanas process, kad tā mijiedarbojas ar citu lielu sistēmu. Šādas mijiedarbības laikā kvantu sistēma zaudē sākotnējās iezīmes un kļūst klasiska, "pakļaujas" lielai sistēmai. Tas izskaidro paradoksu ar Šrēdingera kaķi: kaķis ir tik liela sistēma, ka to vienkārši nevar izolēt no pasaules. Pats domas eksperimenta apgalvojums nav pilnīgi pareizs.

Jebkurā gadījumā, salīdzinot ar realitāti kā apziņas radīšanas aktu, dekoherence izklausās daudz atvieglinātāka. Pat, varbūt, pārāk mierīgs. Patiešām, ar šo pieeju visa klasiskā pasaule kļūst par vienu lielu dekoherences efektu. Un, kā apgalvo vienas no nopietnākajām šīs jomas grāmatām autori, no šādām pieejām loģiski izriet arī tādi apgalvojumi kā “pasaulē nav daļiņu” vai “pamata līmenī nav laika”.

Radošs novērotājs vai visvarena dekoherence? Jums jāizvēlas starp diviem ļaunumiem. Bet atcerieties - tagad zinātnieki ir arvien vairāk pārliecināti, ka ļoti domātie kvantu efekti ir mūsu domāšanas procesu pamatā. Tātad, kur beidzas novērošana un sākas realitāte - katram no mums ir jāizvēlas.