Global Lithuanian Net:    san-taka station:

Kvantinė mechanika:
Triumfas ar mokslo ribotumas?

"Manau, kad galiu nebijodamas pasakyti, kad nėra kas supranta kvantinę mechaniką", Ričardas Feinmanas.
"Bet kuris, kuris nėra šoke nuo kvantinės teorijos, jos nesupranta", N. Boras.

Kvantinė mechanika veikia, bet neaišku kodėl. Jos nepriėmė net Šriodingeris ir A.Einšteinas, pasakęs garsiąją frazę: "Dievas nežaidžia kauliukais". Šiame puslapyje pabandysiu populiariai pateikti kvantinių idėjų apžvalgą.

Taškinė elementarioji dalelytė

Iškart, kai tik buvo surastas elektronas, jis pradėjo kelti problemas. Jis iki šiol tebestebina fizikus. Įprasta elektroną vaizduoti kaip įelektrintą rutuliuką, kuris greitai sukasi apie savo ašį, kad sukurtų magnetinį lauką. Kad išvengtų atomų susidūrimų, R. Boskovičius elementariąsias daleles sutraukė į taškus, t.y. neturinčias matavimų. Bet taškai yra teorinis objektas, o elektronai yra realūs!

Bėgant metams, vis jautresni matavimai rodė vis mažesnį elektrono skersmenį. 1990 m. jis buvo jau mažesnis nei 10-18 cm. Bet nors elektronas praktiškai neturi skersmens, jis turi tam tikrą masę, neigiamą elektros krūvį ir, kas blogiausia, privalo suktis. Bet kur tada randasi ta masė, krūvis ir kas sukasi, jei nėra matavimo?

1999 m. JAV ir Vokietijos mokslininkai sukūrė naują elektrono modelį, pagal kurį elektronas net nėra elementarioji dalelė. Jis gali turėti sudėtingą vidinę struktūrą. O 2000 m. rugpjūtį Humphrey Maris sakėsi sėkmingai padalinęs elektroną bandymuose, kai "įkalindavo" elektronus burbuliukuose, sruvenančiuose skystame helyje.

Šriodingerio bangos lygtis

Taip pat žr. Kvantinio pasaulio katinai

Young Schrodinger Niutono pasaulyje vienodos prielaidos sukelia tokias pačias pasekmes. Taip nėra kvantiniame pasaulyje. Atliekant du identiškus matavimus galima gauti visiškai skirtingus rezultatus. Čia Niutono judėjimo lygtį pakeičia Šriodingerio lygtis. Teoriškai, ji tokia pati deterministinė, kaip ir Niutono. Pateikę tikslią bangos funkciją vienu laiko momentu, galime, iš principo, paskaičiuoti jos tikslią būseną bet kuriuo kitu laiku. Tačiau ji veikia tik kvantiniame pasaulyje, kuris mums tiesiogiai neprieinamas. Tas pasaulis tiesiogiai nestebimas. Galime atlikti tik netiesioginius jo "stebėjimus" remdamiesi tik matavimų rezultatais, o šie nusakomi tik tikimybiškai.

Šriodingerio teorija skirta mikro-reiškiniams. Pritaikyta makro-reiškiniams, ji duoda rezultatus, identiškus Niutono mechanikai. Šriodingerio lygtis duotų daugybę atskirų Žemės orbitų aplink Saulę. Praktiniais tikslais mes naudojamės Niutono teorija, laikydami, kad visos orbitos yra galimos.

Šriodingerio lygtis mus verčia tikėti, kad elektrono banga tikimybiškai gali sklisti visoje erdvėje. Pradžioje ji randasi mažoje srityje su didele masės koncentracija, iš kur sklinda į visur tol, kol nėra matuojama. Teoriškai, tas sklindantis elektronas gali būti bet kurioje erdvės vietoje.

Keistenybės prasideda, kai daromas matavimas. Tada banga staiga "suyra" ir elektronas "iššoka" iš nieko tam tikroje erdvės vietoje (foto-plokštelėje). Jei elektronas juda iš taško A ir atsiduria taške B, natūralu manyti, kad jis juda tam tikra trajektorija. Tačiau kvantinė teorija tai neigia tvirtindama, kad jo kelias nėra stebimas. Visos trajektorijos iš A į B yra galimos ir kiekviena jų turi savo tikimybę. Tai tikimybinė lygtis. Elektronas elgiasi kaip dalelė tada, kai yra matuojamas, o kitu metu jis elgiasi kaip banga su tikimybiškai aprašomu sklidimu.

Kvantinis pasaulis pateikia nerealizuotų galimybių (potencialų) pasaulį. Matavimo metu stebuklingai realizuojasi kuri nors viena galimybė ir sukuriama nauja galimybių aibė.

Tunelio efektas

Kai kūnas susiduria su energetine kliūtimi, jis elgiasi tarsi rutulys, riedantis į kalvą. Jei rutuliui nesuteikiama pakankamai energijos, jis niekada nepasieks viršūnės. Kvantinėje teorijoje tokia būsena žinoma kaip ribinė. Tačiau elektronas, uždarytas tarp dviejų energetinių barjerų, elgiasi pagal tikimybinę Šriodingerio lygtį. Pagal ją kai kurios bangos gali perlipti per barjerą ir todėl yra tam tikra tikimybė, kad uždarytas elektronas gali atsidurti kitoje barjero pusėje, tarsi elektronas turėtų neigiamą kinetinę energiją, kas skamba kaip absurdas. Niekas nežino, kaip tai vyksta, kai nėra stebima. Tačiau yra stebima, kad taip nutinka. Tas reiškinys vadinamas tunelio efektu. Juo remiantis aiškinamas alfa-radioaktyvumas. Jis taip pat yra elektroninės detalės (kompiuteryje) vadinamos tuneliniu diodu pagrindas.

Dviejų angų eksperimentas

Dual Split experiment. Bologna Elektronas nėra vien dalelė. Jis gali elgtis tarsi banga, - ir tai tebestulbina. Jei elektronus nukreipsime link dviejų plyšių, už jų padėtose foto-plokštelėse matysime interferencijos poveikį – net jei elektronus leisime lėtai, vieną po kito, taip pašalinant jų tarpusavio poveikį. Tarsi elektronas interferuotų pats su savimi.

Dar keisčiau yra, kad bandymas nustatyti, pro kurį plyšį praėjo elektronas, panaikina interferencijos rezultatą. Tarsi tada elektronas liaujasi elgtis kaip banga ir pradeda elgtis kaip dalelė. Tad stebėtojas gali rinktis, kaip turi elgtis elektronas, t.y. kaip dalelė ar kaip banga. Tad nepriklausomybės nuo stebėtojo nebelieka.

Bangos ilgis h/mv vadinamas de Broglie bangos ilgiu ir yra taikoma visiems objektams be išimties. Dideliems objektams bangos ilgis yra neįtikėtinai trumpas, kad būtų galima stebėti bangos efektą. Šios savybės universalumas leidžia daryti prielaidą, kad egzistuoja koreliacija tarp stebėjimo rezultatų ir atlikto matavimo prigimties. Stebimas reiškinys ir stebėtojas kartu sudaro vientisą sistemą. Tad, iš principo, objektyvumas neegzistuoja. Tas subjektyvumas iš pagrindų keičia mūsų filosofų išpuoselėtą prielaidos ir pasekmės sistemą.

Pagal Borą, neegzistuoja nuo stebėtojų nepriklausoma jokia tikrovė ir gamtos dėsniai. Stebėtojas niekaip negali būti atskirtas nuo to, ką jis stebi. Jis yra stebimo reiškinio dalis ir tam tikra prasme tą reiškinį kuria.

Neapibrėžtumo principas

Jei norime nustatyti padėtį, turime priversti iš elektrono sklisti šviesą (arba fotonus). Tačiau fotonas neišvengiamai pakeičia elektrono judėjimą. Tas vidinis apribojimas įvardijamas kaip Heizenbergo neapibrėžtumo principas. Jis sako, kad, iš principo, neįmanoma norimu tikslumu vienu metu nustatyti el. dalelės padėties ir (judesio) momento. Tai visada viršija Planko konstantą. Jei tiksliau žinome vieną jų, mažiau apie kitą.

Tai nėra mūsų prietaisų netobulumas. Neapibrėžtumo principas apibūdina mažiausią dydį, kuriuo pasaulis gali būti skirstomas kaip stebėtojas ir stebimasis.

EPR paradoksas ir Bell'o teorema

Kvantinė mechanika atmeta tai, ką mokslininkai vadina "objektyvumu", pagal kurį reiškiniai vyksta nepriklausomai nuo mūsų ir matavimų. Boro tikrovės sampratą (niekas neegzistuoja, kas nestebima) A. Einšteinas pabandė paneigti 1935 m. gegužės mėn. garsiuoju straipsniu "Ar kvantinės mechanikos apibrėžimas gali būti laikomas išbaigtu?", kuriame pateikė loginį EPR eksperimentą.

Galima sukurti dalelių poras, skriejančias viena nuo kitos taip, kad jei viena sukasi į vieną pusę, kita – į kitą. Net jei jas atskirsime perkeldami į priešingas Visatos puses, sukiniai išliks. Tad išmatuodami vienos dalelės sukinį galime sužinoti ir kitos sukinį. Tad EPR tvirtino, kad realybė turi būti nepriklausoma nuo stebėtojo.

Boras atsakė 1935 m. spalio mėn. straipsniu tokia pat antrašte. Jis pabrėžė papildymo principą ir tvirtino, kad EPR nėra teisingas, nes kalba apie savybes be jų matavimo poveikio. Kvantinė sistema turi būti analizuojama kaip visuma. Nes negalime išskirti tų dalelių, kad ir kaip toli jos viena nuo kitos būtų, nes jos susijusios. Pilna sistema apima abi daleles ir stebėtoją. Stebėjimas nėra lokalus ir nėra nepriklausomas. Boro kvantinės mechanikos interpretacija vėliau įgavo "Kopenhagos interpretacijos" pavadinimą.

1964 m. John Bell pateikė garsiąją Bello'o nelygybę. Jis aprašė bandymą, kuris turėtų nustatyti, Gamta veikia "lokaliai" ar ne – ir taip baigti ginčus. Technologijai vystantis, 1982 m. bandymą pabandė atlikti Alan Aspect su kolegomis. Kvantinės teorijos prielaidos buvo patvirtintos. Visata vienu metu negali būti "reali ir lokali".

Tačiau kai kurie fizikai nurodė, kad nors lokalumo nebuvimas yra pakankama sąlyga, kuri pažeidžia Bello nelygybę, jis nėra būtina sąlyga. Nelygybę gali pažeisti lokalios teorijos, kurios nėra deterministinės, neatskirtos arba nepilnos. Gali būti, kad egzistuoja kažkokie gilesni sąryšiai (kaip tikėjo A. Einšteinas), kurie pažeidžia lokalumą. Tačiau tai parodo, kad kvantinė mechanika yra Ne-Lokali. Vienok, tas momentinis poveikis neprieštarauja reliatyvumo teorijai, pagal kurią informacija negali būti perduota greičiau, nei šviesos greitis.

Nuo ko mirė Šriodingerio katinas?

Cat in box Įsivaizduokime katiną, uždarytą hermetiškoje dėžėje su radiacijos šaltiniu bei jos detektoriumi. Jei per valandą įvyksta atsitiktinis radioaktyvus skilimas, detektorius paleidžia įrenginį, nuodingomis dujomis nužudantį katiną. Koks bus katino likimas po valandos, kai atidarysime dėžę?

Šriodingeris tvirtino, kad, pagal Kopenhagos interpretaciją, prieš atidarant dėžę, katinui pritaikyta kvantinių bangų funkcija apibrėžia katiną būsenose, kuriose jis "gyvas" arba "miręs". Yra būsenų, kuriose katė gyva, ir būsenų, kuriose katė mirus. Tad visumoje, ji kartu ir gyva, ir mirus. Kaip yra iš tikro, galime įsitikinti, tik atidarę dėžę. Kaip katino tokią pusiau gyva, pusiau mirusi būseną pasikeičia į kažkurią konkrečią? Kas suardo bangą? Katinas, Geigerio skaitiklis ar stebėtojas, atidaręs dėžę?

Atidarote dėžę ir pamatote, kad katė negyva. Pagal vieną interpretaciją, ją nužudė stebėjimo veiksmas, kuris bangos funkciją pervedė į kitą būseną. Tad katę nužudė stebėtojas. Schrodinger Cat "Bloga akis" nužiūri - jei pažiūri esant ne toje būsenoje. Šriodingeris šiuo pavyzdžiu aiškino, kad kvantinė mechanika nėra pilnas Tikrovės aprašas. Ji yra mūsų žinojimas apie galimas katino būsenas, o ne apie patį katiną. Bet apie jį galime sužinoti tik jį stebėdami. Tik stebėjimas pateikia vienintelę Tikrovę.

Yra fizikų, manančių, tad tik tam tikras matuoklis, prilygstantis žmogaus Sąmonei, yra pajėgus "suardyti" bangos funkcijas. Nes Stebėjimo veiksmas būna sąmoningas. Tada žmogaus sąmonė yra kažkoks nepaprastai ypatingas Gamtos darinys. Nes "Sąmonė tveria realybę". Mėnulis neegzistuoja, kai į jį niekas nežiūri!

Dar kiti, pvz., John Wheeler'is, išsakė mintį, kad realybės prigimtis nėra fizikinė. Nesant stebėjimo, elektronas nėra nei dalelė, nei banga, o kažkas nerealaus. Jis materializuojasi tik pradėjus stebėti. Panaši koncepcija egzistuoja Informacijos teorijoje, kurioje elementariosios dalelės analogas yra dvejetainis bitas, kurio reikšmė 1 arba 0.

J. Wheeler taip pat pasiūlė atidėtą dviejų plyšių bandymą – galime palaukti, kol dalelė pralėks pro plyšius ir tada apsispręsti, ar norime , kad ji būtų kaip banga, ar kaip dalelė. Tai tarsi parodo, kad kažkas, ką darome, turi negrįžtamą poveikį apie tai, ką galime pasakyti apie Praeitį. Atrodo, tarsi elektronai iš anksto žinotų, kaip fizikas norės juos stebėti.

Istorija, bent jau dalelytei, priklauso nuo to, kaip ruošiamės stebėtis Dabartyje. Tą bandymą 9 dešimt. viduryje atliko dvi nepriklausomai dirbusios mokslininkų grupės. Kvantinės teorijos teiginiai vėl buvo patvirtinti.

Tačiau kas stebi Visatą, jei tik ji egzistuoja?

Daug pasaulių

Kitu požiūriu (pvz., Everett'as), stebėjimo veiksmas visas susiskaidęs į daugybę lygiagrečių ir tarpusavyje nesąveikaujančių pasaulių. Vienuose katė mirus, kituose gyva. Tie pasauliai nuolat toliau dalijasi į naujas pasaulių kopijas. Viskas, kas tik gali nutikti, būtinai įvyksta kažkuriame iš galimų pasaulių.

Mus gali paguosti tik tai, kad kažkuriame pasaulyje katė tebėra gyva. Reikia Schrodinger žiurkės, kad pragraužtų angą tarp pasaulių.

1983 m. Stephen Hawking'as pristatė idėją, kad Visata negali būti nei sukurta, nei sunaikinta – ji tiesiog YRA! Vėliau ją išvystė Andrei Linde veikale "Chaotiška Visatos infliacija" apie amžinai save reprodukuojančią Visatą. Pagal jį yra begalinis kiekis greta egzistuojančių pasaulių ar burbulų. Kiekviename burbule uždarytas skirtingas infliacijos lygis ir atskiros jų sritys pradeda naujas infliacijas ir taip iki begalybės. Mūsų visata tėra vienas tų burbulų.

Daugiau apie tai >>>> Lygiagrečios visatos    

Kvantinė kriptografija

1998 m. Jeoff Kimbler'is paskelbė, kad atliko pirmąjį teleportacijos eksperimentą, perkeldamas šviesos spindulį – tačiau ne fiziškai, o tik perduodamas jo savybes kitam spinduliui, sukurdamas pirmojo kopiją.

2000 m. gegužės mėn. "Physical Review Letters" žurnale trijuose straipsniuose (tarp jų ir Thomas Jennewein) aprašoma, kaip kvantinius reiškinius galima panaudoti neiššifruojamiems kodams sukurti saugioms ryšių tranzakcijoms vykdyti (bankų, diplomatinių pranešimų ir pan.). Informacija gali būti perduodama saugiai, nes bet koks atskiros dalelės matavimas palieka pėdsaką kitose. Visada galima sužinoti apie pasmalsavimo atvejus, o ir gavęs informaciją, nesugebės jos iššifruoti.

Parengė Cpt.Astera's Advisor

Papildomai skaitykite:
Antigravitacija
Visatos modeliai
Didysis sprogimas
Papildomas matavimas
Gyvenimas po mirties
Trumpa laiko istorija
Kvantinio pasaulio katinai
Virpesio-sukinio teorija
Kai susiduria galaktikos...
Juodųjų skylių paradoksai
Einšteino vieta pasaulyje
Pasikėsinimas į multivisatas
3-iojo tūkstantmečio mokslas
Laiko ir erdvės atskyrimas
Kokia yra Visata? Sukasi?
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Juodosios skylės ne tokios jau ir juodos
Kvantinė chemija – ateities mokslas?
S. Hokingas - nenuilstantis invalidas
Higso bosonas: labai prasta balerina
Hadronų koliderio kūrėjas
Heisenbergo mistinė patirtis
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Neapibrėžtumas, tikimybė ir prognozė
Tesla ir eterio technologijos
Tamsioji materija ir tamsioji energija
Tolimojo poveikio reiškinys
Nepaprasti Visatos skaičiai
Erdvės ratilai: Visatos darinių kilmė
Išilginės bangos ir kelionės laike
Įvairiapusis Ričardas Feinmanas
Visatos pirmapradis karštis
Rodžeris Boskovičius: aplenkęs savo laiką
DNR – kvantinis kompiuteris?
Nekritinė stygų teorija
Juodųjų skylių portretas
Paulio draudimo principas
Raudonojo poslinkio kilmė
Antigravitacijos paieškos
Greičiau už šviesą!
Lyginamoji kosmologija
Visatos mechanika
Kvantinis chaosas
Triukšmai

NSO apsireiškimai ir neįprasti fenomenai Lietuvos danguje ir po juo

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

san-taka station

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life.

Review of our site in English

NSO.LT svetainė
Vartiklis