A kvantumelmélet születése. Fotó hatás

A világon senki sem érti a kvantummechanikát – ez a legfontosabb dolog, amit tudnia kell róla. Igen, sok fizikus megtanulta használni a törvényeit, sőt kvantumszámítások segítségével megjósolni is a jelenségeket. De még mindig nem világos, hogy egy megfigyelő jelenléte miért határozza meg a rendszer sorsát, és miért kényszeríti arra, hogy egy állam mellett döntsön. Az „Elméletek és gyakorlatok” olyan kísérletekre válogattak példákat, amelyek kimenetelét a megfigyelő elkerülhetetlenül befolyásolja, és megpróbálta kitalálni, mihez kezd a kvantummechanika a tudat ilyen interferenciájával az anyagi valóságban.

Shroedinger macskája

Manapság a kvantummechanikának számos értelmezése létezik, amelyek közül a legnépszerűbb továbbra is a koppenhágai. Fő elveit Niels Bohr és Werner Heisenberg fogalmazta meg az 1920-as években. A koppenhágai értelmezés központi fogalma pedig a hullámfüggvény volt – egy matematikai függvény, amely információt tartalmaz a kvantumrendszer minden lehetséges állapotáról, amelyben egyidejűleg tartózkodik.

A koppenhágai értelmezés szerint csak a megfigyelés képes megbízhatóan meghatározni egy rendszer állapotát, és megkülönböztetni a többitől (a hullámfüggvény csak abban segít, hogy matematikailag kiszámítsa egy adott állapotú rendszer észlelésének valószínűségét). Azt mondhatjuk, hogy a megfigyelés után egy kvantumrendszer klasszikussá válik: azonnal megszűnik az egymás mellett létezés sok állapotban egyszerre az egyik javára.

Ennek a megközelítésnek mindig is voltak ellenfelei (emlékezzünk például Albert Einstein „Isten nem játszik kockakockával”), de a számítások és előrejelzések pontossága megbosszulta magát. Az utóbbi időben azonban egyre kevesebb híve van a koppenhágai értelmezésnek, és ennek nem utolsósorban a hullámfüggvény igen titokzatos pillanatnyi összeomlása a mérés közben. Erwin Schrödinger híres gondolatkísérlete a szegény macskával éppen a jelenség abszurditását kívánta bemutatni.

Emlékezzünk tehát a kísérlet tartalmára. Egy élő macska, egy ampulla méreggel és egy bizonyos mechanizmus, amely véletlenszerűen képes működésbe hozni a mérget, egy fekete dobozba kerül. Például egy radioaktív atom, amelynek bomlása eltöri az ampullát. Az atomok bomlásának pontos ideje nem ismert. Csak a felezési idő ismert: az az idő, amely alatt a bomlás 50%-os valószínűséggel bekövetkezik.

Kiderült, hogy egy külső szemlélő számára a dobozban lévő macska egyszerre két állapotban létezik: vagy él, ha minden jól megy, vagy halott, ha bomlás történt és az ampulla eltört. Mindkét állapotot a macska hullámfüggvénye írja le, amely idővel változik: minél távolabb van, annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy már megtörtént a radioaktív bomlás. De amint kinyitják a dobozt, a hullámfüggvény összeomlik, és azonnal látjuk a csapkodó kísérletének eredményét.

Kiderül, hogy amíg a megfigyelő ki nem nyitja a dobozt, a macska örökké az élet és halál határán egyensúlyoz, és csak a megfigyelő cselekedete határozza meg a sorsát. Ez az abszurditás, amire Schrödinger rámutatott.

Elektrondiffrakció

A The New York Times vezető fizikusok körében végzett felmérése szerint Klaus Jenson 1961-ben végzett elektrondiffrakciós kísérlete az egyik legszebb lett a tudomány történetében. Mi a lényege?

Van egy forrás, amely elektronáramot bocsát ki a fényképészeti lemez képernyője felé. És van egy akadály ezeknek az elektronoknak az útjában - egy rézlemez két réssel. Milyen képre számíthatsz a képernyőn, ha úgy gondolod, hogy az elektronok csak kis töltött golyók? Két megvilágított csík a hasítékokkal szemben.

A valóságban a képernyőn a váltakozó fekete-fehér csíkok sokkal összetettebb mintája jelenik meg. A helyzet az, hogy a réseken áthaladva az elektronok nem részecskékként, hanem hullámként kezdenek viselkedni (ahogy a fotonok, a fényrészecskék egyidejűleg lehetnek hullámok). Aztán ezek a hullámok kölcsönhatásba lépnek a térben, helyenként gyengítik, erősítik egymást, és ennek eredményeként a váltakozó világos és sötét csíkok összetett képe jelenik meg a képernyőn.

Ebben az esetben a kísérlet eredménye nem változik, és ha az elektronokat nem folyamatos áramlásban, hanem egyenként küldik át a résen, akár egy részecske is lehet egyszerre hullám. Még egy elektron is áthaladhat egyszerre két résen (és ez a kvantummechanika koppenhágai értelmezésének egy másik fontos pontja – a tárgyak egyszerre mutathatják meg „szokásos” anyagtulajdonságaikat és egzotikus hullámtulajdonságaikat).

De mi köze ehhez a megfigyelőnek? Annak ellenére, hogy amúgy is bonyolult története még bonyolultabbá vált. Amikor hasonló kísérletek során a fizikusok olyan műszerekkel próbálták kimutatni, amelyek áthasították a ténylegesen áthaladó elektront, a képernyőn látható kép drámaian megváltozott, és „klasszikussá” vált: két megvilágított terület a hasításokkal szemben, és nincsenek váltakozó csíkok.

Mintha az elektronok nem akarták volna megmutatni hullámtermészetüket a megfigyelő éber tekintete alatt. Ösztönös vágyához igazodtunk, hogy egyszerű és érthető képet lássunk. Misztikus? Létezik egy sokkal egyszerűbb magyarázat: a rendszer egyetlen megfigyelése sem végezhető el anélkül, hogy azt fizikailag befolyásolnánk. De erre egy kicsit később visszatérünk.

Melegített fullerén

A részecskediffrakciós kísérleteket nemcsak elektronokon, hanem sokkal nagyobb tárgyakon is végezték. Például a fullerének nagy, zárt molekulák, amelyek több tucat szénatomból állnak (például egy hatvan szénatomos fullerén alakja nagyon hasonlít egy futballlabdához: ötszögekből és hatszögekből összevarrt üreges gömb).

Nemrég a Bécsi Egyetem egy csoportja Zeilinger professzor vezetésével megpróbálta a megfigyelés elemét bevezetni az ilyen kísérletekbe. Ennek érdekében mozgó fullerénmolekulákat sugároztak be lézersugárral. Ezt követően a molekulák külső hatástól felhevítve izzani kezdtek, és ezáltal elkerülhetetlenül felfedték a megfigyelő előtt helyüket a térben.

Ezzel az újítással a molekulák viselkedése is megváltozott. A teljes felügyelet megkezdése előtt a fullerének meglehetősen sikeresen megkerülték az akadályokat (hullámtulajdonságokat mutattak), mint az előző példában szereplő elektronok, amelyek áthaladtak egy átlátszatlan képernyőn. De később, egy megfigyelő megjelenésével a fullerének megnyugodtak, és teljesen törvénytisztelő anyagrészecskékként kezdtek viselkedni.

Hűtési méret

A kvantumvilág egyik leghíresebb törvénye a Heisenberg-féle bizonytalansági elv: lehetetlen egy kvantumobjektum helyzetét és sebességét egyszerre meghatározni. Minél pontosabban mérjük meg egy részecske lendületét, annál kevésbé pontosan mérhető a helyzete. De az apró részecskék szintjén működő kvantumtörvények hatásai általában észrevehetetlenek a nagy makroobjektumok világában.

Ennélfogva értékesebbek Schwab professzor amerikai csoportjának közelmúltbeli kísérletei, amelyekben a kvantumhatásokat nem ugyanazon elektronok vagy fullerénmolekulák szintjén mutatták ki (jellemző átmérőjük kb. 1 nm), hanem valamivel kézzelfoghatóbb. tárgy - egy apró alumínium szalag.

Ezt a szalagot mindkét oldalon rögzítették, hogy a közepe lelógjon, és külső behatásra rezeghessen. Ezen kívül a szalag mellett volt egy készülék, amely nagy pontossággal képes rögzíteni a helyzetét.

Ennek eredményeként a kísérletezők két érdekes hatást fedeztek fel. Először is, a tárgy helyzetének bármilyen mérése vagy a csík megfigyelése nem ment el anélkül, hogy nyomot hagyott volna - minden mérés után a csík helyzete megváltozott. Nagyjából elmondható, hogy a kísérletezők nagy pontossággal határozták meg a sáv koordinátáit, és ezáltal a Heisenberg-elv szerint változtatták a sebességét, így a későbbi helyzetét.

Másodszor, és egészen váratlanul, néhány mérés a szalag lehűléséhez is vezetett. Kiderült, hogy a megfigyelő pusztán a jelenlétével képes megváltoztatni a tárgyak fizikai jellemzőit. Teljesen hihetetlenül hangzik, de a fizikusok becsületére legyen mondva, hogy nem voltak veszteségesek - Schwab professzor csoportja most azon gondolkodik, hogyan alkalmazza a felfedezett hatást az elektronikus chipek hűtésére.

Fagyasztó részecskék

Mint tudják, az instabil radioaktív részecskék nem csak a macskákon végzett kísérletek kedvéért bomlanak le a világon, hanem teljesen maguktól is. Sőt, mindegyik részecskét átlagos élettartam jellemzi, amely, mint kiderült, a megfigyelő figyelmes pillantása alatt megnőhet.

Ezt a kvantumhatást először az 1960-as években jósolták meg, és briliáns kísérleti megerősítését a Nobel-díjas fizikus, Wolfgang Ketterle, a Massachusetts Institute of Technology 2006-ban publikált tanulmánya jelentette.

Ebben a munkában az instabil gerjesztett rubídium atomok bomlását (alapállapotú rubídium atomokká és fotonokká bomlását) vizsgáltuk. Közvetlenül a rendszer előkészítése és az atomok gerjesztése után elkezdték megfigyelni őket - lézersugárral megvilágították őket. Ebben az esetben a megfigyelést két módban végeztük: folyamatos (kis fényimpulzusok folyamatosan jutnak a rendszerhez) és impulzusos (a rendszert időről időre erősebb impulzusokkal sugározzák be).

A kapott eredmények kiválóan egyeztek az elméleti előrejelzésekkel. A külső fényhatások valójában lelassítják a részecskék bomlását, mintha visszaállítanák őket eredeti állapotukba, távol a bomlástól. Sőt, a hatás nagysága a két vizsgált rezsim esetében szintén egybeesik az előrejelzésekkel. És az instabil gerjesztett rubídium atomok maximális élettartama 30-szorosára nőtt.

Kvantummechanika és tudat

Az elektronok és fullerének már nem mutatják hullámtulajdonságukat, az alumíniumlemezek lehűlnek, az instabil részecskék pedig lefagynak bomlásukban: a megfigyelő mindenható tekintete alatt a világ változik. Mi nem bizonyíték arra, hogy elménk részt vesz a minket körülvevő világ munkájában? Talán igaza volt Carl Jungnak és Wolfgang Paulinak (osztrák fizikus, Nobel-díjas, a kvantummechanika egyik úttörője), amikor azt mondták, hogy a fizika és a tudat törvényeit egymást kiegészítőnek kell tekinteni?

De ez már csak egy lépés választja el a rutin felismeréstől: a körülöttünk lévő egész világ az elménk esszenciája. Hátborzongató? („Tényleg azt hiszed, hogy a Hold csak akkor létezik, ha ránézünk?” Einstein kommentálta a kvantummechanika alapelveit). Akkor próbáljunk meg ismét a fizikusokhoz fordulni. Ráadásul az utóbbi években egyre kevésbé szeretik a kvantummechanika koppenhágai értelmezését a funkcióhullám rejtélyes összeomlásával, amit egy másik, egészen földhözragadt és megbízható kifejezés vált fel - a dekoherencia.

A lényeg a következő: az összes leírt megfigyelési kísérletben a kísérletezők elkerülhetetlenül befolyásolták a rendszert. Lézerrel megvilágították és mérőműszereket szereltek fel. És ez egy általános, nagyon fontos alapelv: nem lehet egy rendszert megfigyelni, tulajdonságait mérni anélkül, hogy ne lépnénk kapcsolatba vele. És ahol interakció van, ott a tulajdonságok megváltoznak. Sőt, amikor a kvantumobjektumok kolosszusa kölcsönhatásba lép egy apró kvantumrendszerrel. Tehát a megfigyelő örök, buddhista semlegessége lehetetlen.

Pontosan ez magyarázza a „dekoherencia” kifejezést – egy rendszer kvantumtulajdonságainak megsértésének visszafordíthatatlan folyamatát egy másik, nagyobb rendszerrel való interakció során. Az ilyen interakció során a kvantumrendszer elveszti eredeti vonásait, klasszikussá válik, „megveti magát” a nagy rendszernek. Ez magyarázza a Schrödinger macskájával kapcsolatos paradoxont: a macska olyan nagy rendszer, hogy egyszerűen nem lehet elszigetelni a világtól. Maga a gondolatkísérlet nem teljesen helyes.

Mindenesetre a valósághoz mint tudatteremtési aktushoz képest a dekoherencia sokkal nyugodtabban hangzik. Talán még túl nyugodt is. Hiszen ezzel a megközelítéssel az egész klasszikus világ egyetlen nagy dekoherencia effektussá válik. A téma egyik legkomolyabb könyvének szerzői szerint pedig az ilyen megközelítésekből logikusan következnek olyan állítások is, mint „nincs részecskék a világon”, vagy „nincs idő alapszinten”.

Kreatív megfigyelő vagy mindenható dekoherencia? Két rossz közül kell választani. De ne feledjük – a tudósok ma már egyre inkább meg vannak győződve arról, hogy gondolkodási folyamataink alapja ugyanazok a hírhedt kvantumhatások. Tehát hol ér véget a megfigyelés és hol kezdődik a valóság – mindannyiunknak választania kell.

1935-ben, amikor a kvantummechanika és Einstein általános relativitáselmélete még nagyon fiatal volt, a nem túl híres szovjet fizikus, Matvej Bronstein 28 évesen elkészítette az első részletes tanulmányt e két elmélet összeegyeztetéséről a kvantumelméletben. gravitáció. Ez a „talán az egész világ elmélete”, ahogy Bronstein írta, kiszoríthatja Einstein klasszikus gravitációs leírását, amelyben a tér-idő kontinuum görbéinek tekintik, és átírhatja kvantumnyelven, mint a fizika többi részét.

Bronstein kitalálta, hogyan írja le a gravitációt kvantált részecskékkel, amelyeket ma gravitonoknak neveznek, de csak akkor, ha a gravitációs erő gyenge – vagyis (az általános relativitáselméletben), amikor a téridő annyira enyhén görbült, hogy lényegében lapos. Ha erős a gravitáció, „a helyzet teljesen más” – írta a tudós. „A klasszikus fogalmak alapos felülvizsgálata nélkül szinte lehetetlennek tűnik elképzelni a gravitáció kvantumelméletét ezen a területen.”

Szavai prófétaiak voltak. Nyolcvanhárom évvel később a fizikusok még mindig azt próbálják megérteni, hogy a téridő görbülete miként jelenik meg makroszkopikus skálákon, a gravitáció alapvetőbb és feltehetően kvantumképéből eredően; Talán ez a legmélyebb kérdés a fizikában. Talán, ha lenne rá lehetőség, Bronstein okos elméje felgyorsítaná ennek a keresésnek a folyamatát. A kvantumgravitáció mellett az asztrofizikában és a kozmológiában, a félvezetőelméletben, a kvantumelektrodinamikában is részt vett, és számos könyvet írt gyerekeknek. 1938-ban Sztálin elnyomása alá került, és 31 évesen kivégezték.

A kvantumgravitáció teljes elméletének kutatását bonyolítja, hogy a gravitáció kvantumtulajdonságai soha nem nyilvánulnak meg a valós tapasztalatban. A fizikusok nem látják, hogyan sérül meg Einstein sima tér-idő kontinuum leírása vagy Bronstein kvantumközelítése enyhén ívelt állapotban.

A probléma a gravitációs erő rendkívüli gyengesége. Míg az erős, gyenge és elektromágneses erőket átvivő kvantált részecskék olyan erősek, hogy szorosan atomokká kötik az anyagot, és szó szerint nagyító alatt is vizsgálhatók, addig az egyes gravitonok annyira gyengék, hogy a laboratóriumoknak esélyük sincs kimutatni. Ahhoz, hogy nagy valószínűséggel elkapjon egy gravitont, a részecskedetektornak olyan nagynak és masszívnak kell lennie, hogy fekete lyukká omoljon össze. Ez a gyengeség megmagyarázza, hogy miért van szükség csillagászati tömegfelhalmozódásra ahhoz, hogy a gravitáción keresztül más nagy tömegű testeket befolyásoljanak, és miért látjuk a gravitációs hatásokat hatalmas léptékeken.

Ez nem minden. Úgy tűnik, hogy az univerzum valamiféle kozmikus cenzúra alá tartozik: az erős gravitációs régiók – ahol a téridő görbék olyan élesek, hogy az Einstein-egyenletek felbomlanak, és fel kell tárni a gravitáció és a téridő kvantumtermészetét – mindig a fekete lyukak horizontja mögött lapulnak.

"Még néhány évvel ezelőtt is általános volt az egyetértés abban, hogy nagy valószínűséggel lehetetlen bármilyen módon megmérni a gravitációs mező kvantálását" - mondja Igor Pikovsky, a Harvard Egyetem elméleti fizikusa.

Most a Physical Review Letters-ben megjelent számos közlemény megváltoztatta ezt. Ezek a papírok azt állítják, hogy el lehet jutni a kvantumgravitációhoz – még akkor is, ha semmit nem tudunk róla. A tanulmányok, amelyeket Sugato Bose, a University College London, valamint Chiara Marletto és Vlatko Vedral, az Oxfordi Egyetem munkatársai írt, egy technikailag kihívást jelentő, de megvalósítható kísérletet javasolnak, amely megerősítheti, hogy a gravitáció olyan kvantumerő, mint az összes többi, anélkül, hogy graviton észlelésére lenne szükség. . Miles Blencowe, a Dartmouth College kvantumfizikusa, aki nem vett részt ebben a munkában, azt mondja, hogy egy ilyen kísérlet a láthatatlan kvantumgravitáció egyértelmű jelét tárhatja fel – „a Cheshire Cat mosolyát”.

A javasolt kísérlet azt fogja meghatározni, hogy két objektum – Bose csoportja egy pár mikrogyémánt felhasználását tervezi – képes-e kvantummechanikailag összefonódni egymással a kölcsönös gravitációs vonzás révén. Az összefonódás egy kvantumjelenség, amelyben a részecskék elválaszthatatlanul összefonódnak, és egyetlen fizikai leírást osztanak meg, amely meghatározza lehetséges kombinált állapotaikat. (A különböző lehetséges állapotok együttélését "szuperpozíciónak" nevezik, és kvantumrendszert határoz meg.) Például egy pár összegabalyodott részecske létezhet szuperpozícióban, amelyben az A részecske 50%-os valószínűséggel alulról felfelé, a B részecske pedig fentről lefelé, és 50%-os valószínűséggel fordítva. Senki sem tudja előre, hogy milyen eredményt kap a részecskék forgásának irányának mérése során, de biztos lehet benne, hogy ez náluk is így lesz.

A szerzők azzal érvelnek, hogy a javasolt kísérletben szereplő két objektum csak akkor tud ilyen módon összegabalyodni, ha a közöttük ható erő - jelen esetben a gravitáció - egy gravitonok által közvetített kvantumkölcsönhatás, amely képes támogatni a kvantum-szuperpozíciókat. "Ha a kísérletet végrehajtják és összefonódást kapunk, a munka szerint arra a következtetésre juthatunk, hogy a gravitáció kvantált" - magyarázta Blencowe.

Zavarja össze a gyémántot

A kvantumgravitáció olyan finom, hogy egyes tudósok kételkedtek a létezésében. A 94 éves Freeman Dyson neves matematikus és fizikus 2001 óta érvel amellett, hogy az univerzum alátámaszthat egyfajta „dualista” leírást, amelyben „az Einstein általános relativitáselméletében leírt gravitációs mező egy tisztán klasszikus mező lenne, minden kvantum viselkedés nélkül”. , míg az összes anyagot ebben a sima tér-idő kontinuumban olyan részecskék kvantálják, amelyek engedelmeskednek a valószínűség szabályainak.

Dyson, aki segített a kvantumelektrodinamika (az anyag és a fény kölcsönhatásának elmélete) kidolgozásában, és a Princeton-i Institute for Advanced Study emeritus professzora, nem hiszi, hogy a kvantumgravitáció szükséges a fekete lyukak elérhetetlen belsejének leírásához. . És azt is hiszi, hogy egy hipotetikus graviton észlelése elvileg lehetetlen lehet. Ebben az esetben, mondja, a kvantumgravitáció metafizikai lenne, nem fizikai.

Nem ő az egyetlen szkeptikus. A híres angol fizikus, Sir Roger Penrose és a magyar tudós, Diosi Lajos egymástól függetlenül felvetette, hogy a téridő nem tud szuperpozíciókat támogatni. Úgy vélik, hogy sima, merev, alapvetően klasszikus természete megakadályozza, hogy egyszerre két lehetséges útra kanyarodjon – és ez a merevség az, ami a kvantumrendszerek, például az elektronok és a fotonok szuperpozícióinak összeomlásához vezet. A „gravitációs dekoherencia” véleményük szerint egyetlen, szilárd, klasszikus valóság létrejöttét teszi lehetővé, amely makroszkopikus léptékben is érzékelhető.

A kvantumgravitáció „mosolyának” megtalálásának képessége cáfolni látszik Dyson érvelését. A gravitációs dekoherencia elméletét is megsemmisíti azáltal, hogy megmutatja, hogy a gravitáció és a téridő valóban támogatják a kvantum-szuperpozíciókat.

Bose és Marletto javaslatai egyszerre és teljesen véletlenül jelentek meg, bár a szakértők megjegyzik, hogy a kor szellemét tükrözik. Kísérleti kvantumfizikai laboratóriumok szerte a világon egyre nagyobb mikroszkopikus objektumokat helyeznek kvantum-szuperpozíciókba, és optimalizálják a protokollokat két kvantumrendszer összefonódásának tesztelésére. A javasolt kísérletnek kombinálnia kell ezeket az eljárásokat, miközben a léptékben és az érzékenységben további javításokat igényel; talán tíz évbe telik. "De nincs fizikai zsákutca" - mondja Pikovsky, aki azt is vizsgálja, hogy a laboratóriumi kísérletek hogyan vizsgálhatják meg a gravitációs jelenségeket. – Szerintem nehéz, de nem lehetetlen.

Ezt a tervet részletesebben Bose és munkatársai – Ocean's Eleven Experts for Different Stages of the Proposal című munkája ismerteti. Gavin Morley társszerző például a Warwicki Egyetem laboratóriumában dolgozik az első lépésen, és két helyen próbál egy mikrogyémántot kvantum-szuperpozícióba helyezni. Ennek érdekében egy nitrogénatomot bezár a mikrogyémántba, a gyémántszerkezetben lévő üresedés mellé (az úgynevezett NV-központ, vagy a gyémánt nitrogén-szubsztituált üressége), és mikrohullámú impulzussal tölti fel. Az NV középpontja körül forgó elektron egyszerre nyeli el a fényt és nem, és a rendszer két forgásirány kvantum-szuperpozíciójába kerül - felfelé és lefelé -, mint egy csúcs, amely bizonyos valószínűséggel az óramutató járásával megegyező, bizonyos valószínűséggel az óramutató járásával ellentétes irányban forog. Az ezzel a szuperpozíciós pörgetéssel megtöltött mikrogyémánt mágneses térnek van kitéve, amelynek hatására a felső spin balra, az alsó pedig jobbra mozdul el. Maga a gyémánt két pálya szuperpozíciójára hasad.

Egy teljes kísérlet során a tudósok mindezt két – például vörös és kék – gyémánttal tennék meg egymás mellett, ultrahideg vákuumban. Ha az őket tartó csapdát kikapcsolják, a két mikrogyémánt, amelyek mindegyike két-két pozíciót helyez el egymás felett, függőlegesen leesik a vákuumban. Ahogy a gyémántok leesnek, mindegyikük gravitációját fogják érezni. Milyen erős lesz a gravitációs vonzásuk?

Ha a gravitáció kvantumerő, akkor a válasz: attól függ. A kék gyémánt szuperpozíciójának minden egyes komponense erősebb vagy gyengébb vonzást tapasztal a vörös gyémánt felé, attól függően, hogy az utóbbi a szuperpozíció egy közelebbi vagy távolabbi ágában található. És a gravitáció, amelyet a vörös gyémánt szuperpozíciójának egyes összetevői éreznek, ugyanúgy a kék gyémánt állapotától függ.

Minden esetben különböző mértékű gravitációs vonzás hat a gyémánt szuperpozíciók fejlődő összetevőire. A két gyémánt kölcsönösen függővé válik, mert állapotukat csak kombinációban lehet meghatározni – ha ez azt jelenti –, így végül a két NV-középpontrendszer forgásiránya korrelál.

Miután a mikrogyémántok három másodpercig egymás mellé esnek – elég hosszú ideig ahhoz, hogy belegabalyodjanak a gravitációba –, áthaladnak egy másik mágneses mezőn, amely az egyes szuperpozíciók ágait újra egymáshoz hozza. A kísérlet utolsó lépése a Barbara Theral dán fizikus és mások által kidolgozott összefonódás-tanús protokoll: kék és piros gyémántok kerülnek különböző eszközökbe, amelyek az NV-központrendszerek forgásirányát mérik. (A mérés hatására a szuperpozíciók bizonyos állapotokba esnek.) A két eredményt ezután összehasonlítják. A kísérlet újra és újra elvégzésével, és sok pár spinmérés összehasonlításával a tudósok meg tudják állapítani, hogy két kvantumrendszer spinjei valóban gyakrabban korrelálnak-e, mint a felső határ a kvantummechanikailag nem összefonódott objektumok esetében. Ha igen, a gravitáció valójában összekuszálja a gyémántokat, és támogathatja a szuperpozíciókat.

"A kísérletben az az érdekes, hogy nem kell tudnod, mi az a kvantumelmélet" - mondja Blencowe. „Csak annyit kell mondani, hogy ennek a régiónak van valamilyen kvantum-aspektusa, amelyet a két részecske közötti erő közvetít.”

Sok a technikai nehézség. A legnagyobb tárgy, amelyet korábban két helyen szuperpozícióba helyeztek, egy 800 atomos molekula volt. Minden mikrogyémánt több mint 100 milliárd szénatomot tartalmaz – ez elég ahhoz, hogy észrevehető gravitációs erőt halmozzon fel. A kvantummechanikai természet kicsomagolásához alacsony hőmérsékletre, mélyvákuumra és pontos szabályozásra lesz szükség. "Sok munka a kezdeti szuperpozíció létrehozása és működtetése" - mondja Peter Barker, a lézeres hűtési és mikrogyémánt befogási technikák finomításával foglalkozó kísérleti csapat tagja. Ha ezt egy gyémánttal meg lehetne tenni, Bose hozzáteszi: „a második sem lenne probléma”.

Mi az egyedi a gravitációban?

A kvantumgravitáció kutatóinak nincs kétsége afelől, hogy a gravitáció olyan kvantumkölcsönhatás, amely összefonódást okozhat. Természetesen a gravitáció némileg egyedi, és még sokat kell tanulni a tér és az idő eredetéről, de a kvantummechanikát mindenképpen be kell vonni a tudósok szerint. "Valójában mi értelme van annak az elméletnek, amelyben a fizika nagy része kvantum, a gravitáció pedig klasszikus" - mondja Daniel Harlow, az MIT kvantumgravitációs kutatója. A vegyes kvantum-klasszikus modellekkel szembeni elméleti érvek nagyon erősek (bár nem meggyőzőek).

Másrészt a teoretikusok korábban is tévedtek. „Ha ellenőrizheti, miért ne? Ha ezzel elhallgatják ezeket az embereket, akik megkérdőjelezik a gravitáció kvantumtermészetét, az nagyszerű lenne” – mondja Harlow.

A papírok elolvasása után Dyson ezt írta: „A javasolt kísérlet minden bizonnyal nagy érdeklődésre tart számot, és egy valódi kvantumrendszer körülményei között kell végrehajtani.” Megjegyzi azonban, hogy a szerzők gondolatmenete a kvantumterekről eltér az övétől. „Nem világos számomra, hogy ez a kísérlet meg tudja-e oldani a kvantumgravitáció létezésének kérdését. A kérdés, amit feltettem – hogy egyetlen gravitont észlelnek-e – egy másik kérdés, és más válasz is lehet.”

Bose, Marletto és kollégáik gondolatmenete a kvantált gravitációról Bronstein 1935-ös munkásságából ered. (Dyson Bronstein munkáját „gyönyörű műnek” nevezte, amelyet korábban nem látott). Bronstein különösen azt mutatta be, hogy a kis tömeg által generált gyenge gravitáció Newton gravitációs törvényével közelíthető. (Ez az erő, amely a mikrogyémántok szuperpozíciói között hat). Blencowe szerint a gyenge kvantált gravitáció számításait nem végezték különösebben, bár ezek minden bizonnyal relevánsabbak, mint a fekete lyukak vagy az ősrobbanás fizikája. Reméli, hogy az új kísérleti javaslat arra ösztönzi majd a teoretikusokat, hogy finom finomításokat keressenek a Newton-közelítésen, amelyet a jövőbeli asztali kísérletek megpróbálhatnak tesztelni.

Leonard Susskind, a Stanford Egyetem neves kvantumgravitációs és húrelméleti szakembere látta a javasolt kísérlet értékét, mert "a tömegek és távolságok új tartományában biztosítja a gravitáció megfigyelését". De ő és más kutatók hangsúlyozták, hogy a mikrogyémántok nem árulnak el semmit a kvantumgravitáció vagy a téridő teljes elméletéről. Ő és kollégái szeretnék megérteni, mi történik egy fekete lyuk közepén és az Ősrobbanás pillanatában.

Talán az egyik támpont arra, hogy a gravitáció kvantálása miért sokkal nehezebb, mint bármi más, az az, hogy más természeti erőknek is van úgynevezett „lokalitása”: a kvantumrészecskék a mező egyik tartományában (például az elektromágneses tér fotonjai) „függetlenek más fizikai entitások az űr egy másik régiójában” – mondja Mark van Raamsdonk, a British Columbia Egyetem kvantumgravitációs teoretikusa. "De sok elméleti bizonyíték van arra, hogy a gravitáció nem így működik."

A kvantumgravitáció legjobb homokozómodelljeiben (leegyszerűsített téridő geometriákkal) lehetetlen feltételezni, hogy a tér-idő szövet szalagja független háromdimenziós darabokra oszlik, mondja van Raamsdonk. Ehelyett a modern elmélet azt sugallja, hogy a tér mögöttes, alapvető összetevői „inkább kétdimenziós módon szerveződnek”. A téridő szövete olyan lehet, mint egy hologram vagy egy videojáték. "Bár a kép háromdimenziós, az információt egy kétdimenziós számítógépes chip tárolja." Ebben az esetben a háromdimenziós világ illúzió lenne abban az értelemben, hogy a különböző részei nem annyira függetlenek. Egy videojáték-analógia szerint egy kétdimenziós chip néhány bitje képes kódolni az egész játékuniverzum globális funkcióit.

És ez a különbség akkor számít, amikor a gravitáció kvantumelméletét próbálod megalkotni. Valami kvantálásának szokásos megközelítése az, hogy azonosítjuk független részeit – például részecskéket –, majd kvantummechanikát alkalmazunk rájuk. De ha nem definiálja a megfelelő összetevőket, akkor rossz egyenleteket kap. A háromdimenziós tér közvetlen kvantálása, amelyet Bronstein meg akart tenni, bizonyos mértékig gyenge gravitáció mellett működik, de haszontalannak bizonyul, ha a téridő erősen görbült.

Egyes szakértők szerint a kvantumgravitáció „mosolyának” szemtanúja motivációt adhat az ilyen absztrakt érvelésre. Hiszen még a kvantumgravitáció létezésével kapcsolatos leghangosabb elméleti érveket sem támasztják alá kísérleti tények. Amikor van Raamsdonk elmagyarázza kutatását egy tudományos kollokviumon, azt mondja, az általában azzal a történettel kezdődik, hogy a gravitációt újra kell gondolni a kvantummechanikával, mivel a téridő klasszikus leírása összeomlik a fekete lyukakkal és az Ősrobbanással.

„De ha elvégzi ezt az egyszerű kísérletet, és megmutatja, hogy a gravitációs mező szuperpozícióban volt, nyilvánvalóvá válik a klasszikus leírás kudarca. Mert lesz egy kísérlet, ami azt sugallja, hogy a gravitáció kvantum.

A Quanta Magazin anyagai alapján

E.S.,
, Városi oktatási intézmény 16. számú középiskola az UIOP-val, Lysva, Perm régió.

A kvantumfizika születése

Találd meg mindennek a kezdetét, és sok mindent meg fogsz érteni!
Kozma Prutkov

Az óra oktatási célja: vezesse be az anyag diszkrétségének fogalmát, fogalmazza meg az anyag kvantumhullám-dualizmusának fogalmát, indokolja a Planck-képletek és a de Broglie-hullámhossz bevezetését.

Az óra fejlesztési célja: fejleszti a logikus gondolkodást, a helyzetek összehasonlításának és elemzésének képességét, az interdiszciplináris összefüggések meglátását.

Az óra oktatási célja: dialektikus-materialista gondolkodás kialakítására.

A fizika mint tudomány egyetemes emberi értékekkel és hatalmas humanitárius potenciállal rendelkezik. Tanulmányozása során feltárulnak az alapvető tudományos módszerek (tudományos kísérlet, modellezés, gondolatkísérlet, tudományos elmélet megalkotása és felépítése). A tanulóknak lehetőséget kell adni arra, hogy egy fizikus szemével nézzék a világot, hogy megértsék a világ örökkévalóságát és állandó változását – egy olyan világot, amelyben annyi hatalmas és jelentéktelenül kicsi, nagyon gyors és szokatlanul lassú. , egyszerű és nehezen érthető - érezni az ember állandó vágyát a legmélyebb megelégedést nyújtó tudás után, megismerni a „tudományos kétségek” mély tapasztalatainak példáit és a bátor mozgást egy ismeretlen úton az elegancia, a rövidség és a világosság keresése érdekében. .

ÉN. Tanár. Amikor elkezdtük az optikát tanulni, feltettem a kérdést: "Mi a fény?" Most hogyan válaszolnál? Próbáld meg egy mondatban megfogalmazni a gondolataidat. Kezdje a „light is...” szavakkal. F.I. Tyutchevnek a következő sorai vannak: „Ismét mohó szemekkel // Iszom az éltető fényt.” Kérem, próbálja meg fizika szempontból kommentálni ezeket a sorokat. A költészetben - Homérosztól napjainkig - mindig is kiemelt helyet kaptak a fény által keltett szenzációk. Leggyakrabban a költők a fényt különleges világító, csillogó folyadékként érzékelték.

Hogy teljes legyen a mai beszélgetés a fényről, szeretném felolvasni S.I. Vavilova: „A folyamatos, győzelmes igazságharcnak, amely soha nem ér véget végső győzelemmel, megvan azonban a maga vitathatatlan igazolása. A fény természetének megértéséhez vezető úton az ember mikroszkópokat, teleszkópokat, távolságmérőket, rádiókat és röntgensugarakat kapott; ez a kutatás segített elsajátítani az atommag energiáját. Az igazságot keresve az ember határtalanul kiterjeszti a természet uralma területeit. Nem ez a tudomány igazi feladata? (kiemelés az enyém.- E.U.)»

II. Tanár. A fizika tanulmányozása során számos elmélettel ismerkedtünk meg, például MCT-vel, termodinamikával, Maxwell elektromágneses térelméletével stb. Ma fejezzük be a hullámoptika tanulmányozását. Össze kell foglalnunk a téma tanulmányozását, és talán egy utolsó pontot kell feltennünk a kérdésre: „Mi a fény?” Tudna-e példákat használni a hullámoptikából, hogy bemutassa az elmélet szerepét a természet megértésének folyamatában?

Emlékezzünk arra, hogy az elmélet jelentősége nemcsak abban rejlik, hogy sok jelenséget megmagyarázhat vele, hanem abban is, hogy lehetővé teszi új, még nem ismert fizikai jelenségek, testek és minták tulajdonságainak előrejelzését. Így a hullámelmélet megmagyarázta az interferencia, a diffrakció, a polarizáció, a fénytörés, a fényszóródás jelenségeit, és lehetővé tette a „felfedezést a toll hegyén” - előrejelzést. 1815-ben egy ismeretlen nyugalmazott mérnök, Augustin Fresnel bemutatta a diffrakció jelenségét magyarázó tanulmányt a Párizsi Tudományos Akadémiának. A munka elemzését híres tudósokra bízták - D. Arago fizikusra és S. Poisson matematikusra. Poisson, aki szenvedéllyel olvasta ezt a művet, egy kirívó abszurditást fedezett fel Fresnel következtetéseiben: ha egy kis kerek célpontot helyezünk egy fénysugárba, akkor egy fényfoltnak kell megjelennie az árnyék közepén! Szerinted mi történt ezután? Néhány nappal később Arago kísérletezett, és felfedezte, hogy Fresnelnek igaza van! A 19. század tehát a hullámoptika diadalának százada.

Mi a fény? A fény egy elektromágneses keresztirányú hullám.

A fény és az elektromágneses hullámok természetével kapcsolatos fizika nagy részének tanulmányozásának befejezéseként javaslom az „Elektromágneses hullámok” tesztfeladat önálló teljesítését (lásd az 1. mellékletet). Elölről ellenőrizzük a végrehajtást.

III. Tanár.És íme, amit a londoni újságok írnak 1900 előestéjén: „Amikor London utcáin a halvány olajtálak helyett fényes izzók ünnepi megvilágítása világított, a taxik egymás után hajtottak fel a Fleet Street ősi épületéhez. Köntösbe öltözött tekintélyes urak léptek fel a széles, fényesen megvilágított lépcsőn a hallba. Ezután a Royal Society of London tagjai összegyűltek a következő találkozójukra. Magas, ősz hajú, vastag szakállú Sir William Thomson (tud a fizika terén elért eredményeiről? - E.U.), nyolc évvel ezelőtt Viktória királynő kezéből a kortárs és Lord Kelvin címet adományozta (ismerős ez a név? - E.U.), most pedig a társaság elnöke kezdte újévi beszédét. A 19. század nagy fizikusa feljegyezte az elmúlt évszázad sikereit, felsorolta a jelenlévők érdemeit...

Az egybegyűltek elismerően bólogattak. Hogy szerény legyek, jó munkát végeztek. És igaza volt Sir Williamnek, amikor azt mondta, hogy a fizika nagy építménye megépült, és csak apró simítások maradtak.

Igaz (Lord Kelvin egy pillanatra félbeszakította beszédét), a fizika felhőtlen horizontjában két kis felhő, két probléma, amelyek a klasszikus fizika szemszögéből még nem találtak magyarázatot... De ezek a jelenségek átmenetiek és múlékonyak. Az urak nyugodtan elhelyezkedtek magas támlájú antik székekben, mosolyogtak. Mindenki tudta, miről beszélünk:

1) a klasszikus fizika nem tudta megmagyarázni Michelson kísérleteit, amelyek nem határozták meg a Föld mozgásának a fénysebességre gyakorolt hatását. Minden referenciarendszerben (a Földhöz képest mozgó és nyugalmi állapotban egyaránt) a fény sebessége azonos - 300 000 km/s;

2) a klasszikus fizika nem tudta megmagyarázni a fekete test sugárzásának kísérletileg kapott grafikonját.

Sir William el sem tudta képzelni, miféle villám csap le hamarosan ezekből a felhőkből! A jövőre nézve azt mondom: az első probléma megoldása a térről és időről alkotott klasszikus elképzelések revíziójához, a relativitáselmélet megalkotásához, a második probléma megoldása egy új elmélet megalkotásához vezet. - kvantum. Ez a megoldás a második problémára, amelyről a mai leckében lesz szó!

IV. (A tanulók jegyzeteket készítenek a füzetükbe: Dátum lecke szám Az óra témája: „A kvantumfizika eredete”.) A 19. és 20. század fordulóján. Felmerült egy probléma a fizikában, amelyet sürgősen meg kellett oldani: egy abszolút fekete test sugárzási grafikonjának elméleti magyarázata. Milyen a tökéletes fekete test? ( Diákok hipotézisei. A „Hősugárzás” című videoklip bemutatója .)

Tanár.Írd le: „A teljesen fekete test olyan test, amely visszaverődés nélkül képes elnyelni a teljes beeső sugárzási fluxust, minden hullámhosszú (bármilyen frekvenciájú) elektromágneses hullámot.”

De az abszolút fekete testeknek van még egy tulajdonsága. Emlékszel, miért élnek fekete bőrű emberek az egyenlítői területeken? „A fekete testek, ha felmelegítik, fényesebben fognak világítani, mint bármely más test, vagyis minden frekvenciatartományban energiát bocsátanak ki” – írd le ezt a füzetedbe.

A tudósok kísérletileg meghatározták egy teljesen fekete test sugárzási spektrumát. ( Rajzol egy grafikont.) Rν – az energetikai fény spektrális sűrűsége – a test egységnyi felületéről egységnyi idő alatt kibocsátott elektromágneses sugárzás energiája egységnyi frekvenciaintervallumban ν. Maxwell elektromágneses térelmélete megjósolta az elektromágneses hullámok létezését, de az elmélet alapján megszerkesztett elméleti fekete test sugárzási görbe a nagyfrekvenciás tartományban eltért a kísérleti görbétől. Az akkori legjobb elmék dolgoztak a problémán: az angol Lord Rayleigh és J. Jeans, a németek P. Kirchhoff és V. Wien, moszkvai professzor, V.A. Mikhelson. Semmi sem működött!

Kínáljon kiutat a jelenlegi helyzetből. Az elméleti görbe eltér a kísérleti görbétől. Hogyan legyünk és mit csináljunk? ( A tanulók hipotéziseket fogalmaznak meg: körültekintőbben végezzenek kísérleteket – megcsinálták, az eredmény ugyanaz; változtass az elméleten - de ez katasztrófa, a klasszikus fizika évezredek alatt létrejött egész alapja összeomlik!) A fizikában létrejött szituációt ún ultraibolya katasztrófa.

Írja le: „A klasszikus fizika módszerei nem bizonyultak elegendőnek egy teljesen fekete test sugárzásának magyarázatára a nagyfrekvenciás tartományban – ez egy „ultraibolya katasztrófa”.

Ki tudja, miért nevezték el ezt a válságot ultraibolya katasztrófa,és nem infravörös vagy lila? Válság tört ki a fizikában! A görög szó κρίση [ egy válság] nehéz átmenetet jelöl az egyik stabil állapotból a másikba. A problémát meg kellett oldani, és sürgősen megoldani!

V.Tanár.Így 1900. október 19-én, a Fizikai Társaság ülésén M. Planck német tudós javasolta a képlet használatát egy teljesen fekete test sugárzásának kiszámításához. E = hν. Planck barátja és kollégája, Heinrich Rubens egész éjszaka az íróasztalánál ült, méréseit a Planck-képlet által adott eredményekkel hasonlította össze, és elcsodálkozott: barátja képlete a legapróbb részletekig leírta egy abszolút fekete test sugárzási spektrumát! Tehát Planck képlete megszüntette az „ultraibolya katasztrófát”, de milyen áron! Planck a bevett nézetekkel ellentétben azt javasolta, hogy vegyék figyelembe, hogy az anyag atomjai által kibocsátott sugárzó energia diszkréten, azaz részletekben, kvantumokban történik. "kvantum" ( quant) latinból fordítva egyszerűen azt jelenti Mennyiség .

Mit jelent a "diszkrét"? Végezzünk el egy gondolatkísérletet. Képzeld el, hogy egy vízzel teli tégely van a kezedben. Lehetséges a felét leadni? Mit szólnál egy kortyhoz? És még kevésbé? Elvileg lehetséges a víz tömegének tetszőleges kis mennyiséggel történő csökkentése vagy növelése. Most képzeljük el, hogy a kezünkben van egy doboz 100 g-os gyerekkocka. Le lehet csökkenteni például 370 g-ot? Nem! Nem törheted össze a kockákat! Ezért a doboz tömege diszkréten változhat, csak 100 g többszöröseként! A legkisebb mennyiség, amellyel a doboz tömege megváltoztatható, nevezhető adag, vagy tömegkvantum.

Így a felhevített fekete testből származó folyamatos energiaáramlás külön részekből álló „géppuska robbanássá” vált - energiakvantumokká. Úgy tűnik, semmi különös. De valójában ez a klasszikus fizika egész kiválóan felépített építményének lerombolását jelentette, hiszen a folytonosság elvén épített alapvető alaptörvények helyett Planck a diszkrétség elvét javasolta. Planck maga nem szerette a diszkrétség gondolatát. Arra törekedett, hogy az elméletet úgy fogalmazza meg, hogy az teljes mértékben illeszkedjen a klasszikus fizika keretei közé.

De volt, aki éppen ellenkezőleg, még határozottabban túllépett a klasszikus eszmék határain. Ez az ember A. Einstein volt. Hogy megértsd Einstein nézeteinek forradalmi jellegét, csak annyit mondok, hogy Planck ötletét felhasználva lefektette a lézerek (kvantumgenerátorok) elméletének és az atomenergia felhasználásának elvének alapjait.

akadémikus S.I. Vavilov nagyon sokáig nem tudott megszokni a fény mint kvantumanyag gondolatát, de lelkes csodálója lett ennek a hipotézisnek, és még a kvantumok megfigyelésének módját is kitalálta. Kiszámította, hogy a szem képes felismerni az 52 kvantum zöld fény által keltett megvilágítást.

Tehát Planck szerint a fény... ( tanulói nyilatkozatok).

VI. Tanár. Planck hipotézise nem emlékeztet a fény természetére vonatkozó, már ismert hipotézisre? Sir Isaac Newton azt javasolta, hogy a fényt apró részecskékből - vértestekből - állónak tekintsék. Bármely világító test minden irányban kibocsátja őket. Egyenes vonalban repülnek, és ha eltalálják a szemünket, látjuk a forrásukat. Mindegyik szín megfelel a saját sejttesteinek, és valószínűleg abban különböznek, hogy különböző tömegűek. A vértestek együttes áramlása fehér fényt hoz létre.

Sir Isaac Newton idejében a fizikát természetfilozófiának nevezték. Miért? Olvassa el (lásd a 2. mellékletet) a dialektika egyik alaptörvényét - a tagadás tagadásának törvényét. Próbáld alkalmazni a fény természetének kérdésére. ( A tanulók érvelése.)

Tehát M. Planck hipotézise szerint a fény részecskék, testek, kvantumok folyama, amelyek mindegyikének van energiája E = hν. Kérem, elemezze ezt a képletet: mi az ν? mi történt h (az egyik diák határozottan azt fogja sugallni, hogy ez valamiféle állandó, Planckról nevezték el)? Mi a Planck-állandó mértékegysége? mi az állandó értéke ( a fizikai állandók táblázatával dolgozva)? Mi a neve a Planck-konstansnak? Mi a Planck-állandó fizikai jelentése?

Hogy értékeljük Planck képletének szépségét, térjünk át a problémákra... a biológiára. Felkérem a hallgatókat, hogy válaszoljanak a biológia területéről származó kérdésekre (3. melléklet).

A látás mechanizmusa. A látás útján kapjuk meg a világról szóló információk mintegy 90%-át. Ezért a látás mechanizmusának kérdése mindig is érdekelte az embereket. Miért érzékeli az emberi szem, sőt a Föld lakóinak többsége a természetben létező elektromágneses sugárzás spektrumából csak egy kis hullámtartományt? Mi van akkor, ha valakinek infravörös látása van, például, mint a gödörkígyók?

Éjszaka, mint nappal, minden szerves testet látunk, mert hőmérsékletük eltér az élettelen testek hőmérsékletétől. De az ilyen sugarak legerősebb forrása számunkra a saját testünk lenne. Ha a szem érzékeny az infravörös sugárzásra, a Nap fénye egyszerűen elhalványulna számunkra a saját sugárzásának hátterében. Nem látnánk semmit, használhatatlan lenne a szemünk.

Miért nem reagál a szemünk az infravörös fényre? Számítsuk ki az infravörös és a látható fény kvantumainak energiáját a következő képlettel:

Az IR-kvantumok energiája kisebb, mint a látható fénykvantumok energiája. Több kvantum nem tud „összeállni”, hogy olyan cselekvést idézzen elő, amely meghaladja egy kvantum erejét – a mikrovilágban egy-egy kölcsönhatás van a kvantum és a részecske között. Csak a látható fénynek egy olyan kvantuma, amelynek energiája nagyobb, mint az infravörös fényé, képes reakciót kiváltani a rodopszin molekulában, azaz a retina rúdjában. A látható fénykvantum retinára gyakorolt hatása egy teniszlabda hatásához hasonlítható, amely megmozgatott... egy többemeletes épületet. (A retina érzékenysége olyan magas!)

Miért nem reagál a szem az ultraibolya sugárzásra? Az UV-sugárzás a szem számára is láthatatlan, bár az UV-kvantumok energiája sokkal nagyobb, mint a látható fénykvantumé. A retina érzékeny az UV-sugarakra, de a lencse elnyeli azokat, különben romboló hatásúak lennének.

Az evolúció során az élő szervezetek szeme alkalmazkodott a Föld legerősebb forrásából, a Napból származó sugárzás energiájának érzékelésére, és pontosan azon hullámok érzékelésére, amelyek a Földet érő napsugárzás maximális energiáját adják.

Fotoszintézis. A zöld növényekben egyetlen másodpercre sem áll le az a folyamat, amely során minden élőlény oxigént kap a légzéshez és a táplálékhoz. Ez a fotoszintézis. A levél zöld színű a sejtjeiben található klorofill miatt. A fotoszintézis reakciók sugárzás hatására a spektrum vörös-ibolya részében mennek végbe, és a spektrum zöld részének megfelelő frekvenciájú hullámok visszaverődnek, így a levelek zöld színűek.

A klorofillmolekulák „felelősek” a fényenergiát szerves anyagok energiájává alakításának egyedülálló folyamatáért. A fénykvantum egy klorofillmolekula általi elnyelésével kezdődik. A fénykvantum abszorpciója a fotoszintézis kémiai reakcióihoz vezet, amelyek sok egységet tartalmaznak.

A klorofillmolekulák egész nap azzal vannak „elfoglalva”, hogy egy kvantumot kapva felhasználják annak energiáját, átalakítva egy elektron potenciális energiájává. Működésük egy olyan mechanizmushoz hasonlítható, amely egy labdát emel fel a lépcsőn. A lépcsőkön legurulva a labda elveszti az energiáját, de nem tűnik el, hanem a fotoszintézis során keletkező anyagok belső energiájává változik.

A klorofill molekulák csak a nappali órákban „működnek”, amikor látható fény éri őket. Éjszaka „pihennek”, annak ellenére, hogy elektromágneses sugárzásban nincs hiány: a föld és a növények infravörös fényt bocsátanak ki, de a kvantumok energiája ebben a tartományban kisebb, mint a fotoszintézishez szükséges. Az evolúció során a növények alkalmazkodtak ahhoz, hogy felhalmozzák a Föld legerősebb energiaforrásának, a Napnak az energiáját.

Átöröklés.(A tanulók válaszolnak a 3. függelék 1–3. kérdésére, az „Örölődés” kártya). Az élőlények örökletes jellemzőit a DNS-molekulák kódolják, és mátrixos módon közvetítik nemzedékről nemzedékre. Hogyan lehet mutációt előidézni? Milyen sugárzás hatására megy végbe a mutációs folyamat?

Egyetlen mutáció előidézéséhez elegendő energiát kell adni a DNS-molekulának ahhoz, hogy megváltoztassa a DNS-gén valamely részének szerkezetét. Ismeretes, hogy a γ-kvantumok és a röntgensugarak, ahogy a biológusok mondják, erősen mutagén– kvantumaik elegendő energiát hordoznak a DNS egy szakaszának szerkezetének megváltoztatásához. Az infravörös sugárzás, és láthatóan nem tud ilyen műveletet végrehajtani, frekvenciájuk, és így energiájuk is túl alacsony. Márpedig ha az elektromágneses tér energiája nem részletekben, hanem folyamatosan nyelődik el, akkor ezek a sugárzások képesek lennének befolyásolni a DNS-t, mert szaporodási sejtjeihez képest maga a szervezet a legközelebbi és legerősebb, folyamatosan működő forrása. sugárzás.

A 30-as évek elejére. XX század A kvantummechanika sikereinek köszönhetően a fizikusok olyan erőt éreztek, hogy magához az élethez fordultak. Sok hasonlóság volt a genetikában. A biológusok felfedeztek egy diszkrét oszthatatlan részecskét - egy gént -, amely egyik állapotból a másikba tud mozogni. A gének konfigurációjában bekövetkező változások a kromoszómák változásaihoz kapcsolódnak, ami mutációkat okoz, és ez kvantumfogalmak alapján magyarázhatónak bizonyult. A molekuláris biológia egyik alapítója, aki Nobel-díjat kapott a baktériumok és bakteriofágok mutációs folyamataival kapcsolatos kutatásokért, M. Delbrück német elméleti fizikus volt. 1944-ben E. Schrödinger fizikus rövid könyve jelent meg „Mi az élet?” címmel. Világosan és tömören bemutatta a genetika alapjait, és feltárta a genetika és a kvantummechanika közötti kapcsolatot. A könyv lendületet adott a fizikusok gén elleni támadásának. J. Watson, F. Crick, M. Wilkins amerikai fizikusok munkájának köszönhetően a biológusok megtanulták, hogyan épül fel a legalapvetőbb „élő” molekula, a DNS. A röntgendiffrakciós elemzés lehetővé tette a megtekintését.

VII. Tanár. Visszatérek a kérdéshez: mi a fény? ( Diák válaszol.) Kiderült, hogy a fizika visszatért a newtoni fényrészecskéhez - a testhez -, elutasítva a fénynek mint hullámnak az elképzelését? Nem! Lehetetlen áthúzni a fény hullámelméletének teljes örökségét! Hiszen a diffrakció, az interferencia és sok más jelenség régóta ismert, amelyek kísérletileg alátámasztják, hogy a fény hullám. Mit kellene tennem? ( Diákok hipotézisei.)

Már csak egy dolog van hátra: valahogy egyesíteni a hullámokat a részecskékkel. Ismerje fel, hogy van egy jelenségkör, ahol a fény hullámtulajdonságokat mutat, és van egy másik kör, amelyben a fény korpuszkuláris lényege az első. Más szóval – írd le! – a fénynek van kvantumhullám kettősség! Ez a fény kettős természete. A fizikusoknak nagyon nehéz volt két eddig össze nem egyeztethető ötletet egybe ötvözni. A részecske valami szilárd, változatlan, bizonyos méretű, térben korlátozott. A hullám valami folyékony, bizonytalan, világos határok nélkül. Többé-kevésbé egyértelmű, hogy ezeket az ötleteket a hullámcsomag fogalmával kapcsolták össze. Ez olyasmi, mint egy mindkét végén „levágott” hullám, vagy inkább egy csomó hullám, amely egységes egészként halad át a téren. A vérrög zsugorodhat vagy nyúlhat attól függően, hogy milyen környezetbe kerül. Repülő rugóhoz hasonlít.

Milyen jellemzője változik meg a hullámcsomagnak, amikor a fény egyik közegből a másikba kerül? ( Diák válaszol.)

1927-ben Lewis amerikai fizikus javasolta ezt a hullámcsomagot foton(görögül φωτóς [phos, fotók] – ) . Mi az a foton? ( A tanulók a tankönyvvel dolgoznak és következtetéseket vonnak le.)

Következtetések. A foton: elektromágneses sugárzás kvantuma; tömeg nélküli részecske; nyugalmi foton nem létezik; vákuumban fénysebességgel mozgó részecske c= 3 10 8 m/s egyetlen egész és oszthatatlan, a foton töredékének létezése lehetetlen, energiájú részecske E = hν, hol h= 6,63 · 10 -34 J · s; ν a fény frekvenciája, a lendületes részecske elektromosan semleges részecske.

A világ úgy van felépítve, hogy a fény leggyakrabban hullámtermészetet mutat nekünk, amíg nem vesszük figyelembe az anyaggal való kölcsönhatását. És az anyag korpuszkuláris formában jelenik meg előttünk, egészen addig, amíg el nem kezdjük az atomközi kötések természetét, az átviteli folyamatokat, az elektromos ellenállást stb.

A kvantumelmélet és különösen a fény kvantumelmélete létrehozásának folyamata mélyen dialektikus. A régi, klasszikus mechanika és optika ötletei és képei, új ötletekkel gazdagítva, kreatívan alkalmazva a fizikai valóságra, végül egy alapvetően új fizikai elméletet szültek.

Gyakorlat: Olvassa el az egység és az ellentétek harcának filozófiai törvényét, és vonjon le következtetést a fény két elméletére vonatkozóan: a fény hullám- és kvantumelméletére vonatkozóan.

VIII. Tanár. 1924-ben Louis de Broglie francia fizikus (egykori katonai rádiótávíró) az akkori bátor fizikusok számára is teljesen paradox gondolatokat fogalmazott meg az atomrészecskék mozgásának természetéről. De Broglie felvetette, hogy az elektronok és más részecskék tulajdonságai elvileg nem különböznek a kvantumok tulajdonságaitól! Ebből az következett, hogy az elektronoknak és más részecskéknek is hullámtulajdonságokat kell mutatniuk, például megfigyelni kell az elektrondiffrakciót. És valóban felfedezték kísérletek során, hogy 1927-ben egymástól függetlenül amerikai fizikusok, K.-J. Davisson és L. Germer, szovjet fizikus P.S. Tartakovszkij és angol fizikus J.-P. Thomson. A de Broglie hullámhosszt a következő képlettel számítjuk ki:

Oldjunk meg feladatokat a de Broglie hullámhossz kiszámításához (4. melléklet).

A számítások szerint egy vegyértékelektron 0,01-es sebességgel mozog az atom belsejében Val vel, ionos kristályrácson ~10 -10 m hullámhosszú hullámként diffrakciót vet fel, egy kb 500 m/s sebességgel repülő golyó hullámhossza pedig kb 10 -34 m. Ilyen kis hullámhossz nem regisztrálható bármilyen módon, és ezért a golyó valódi részecskeként viselkedik.

Az anyag diszkrétségének és folytonosságának eszméi közötti küzdelem, amely a tudomány kezdeteitől fogva folyt, a két eszme összeolvadásával ért véget az elemi részecskék kettős tulajdonságainak gondolatában. Az elektronok hullámtulajdonságainak felhasználása lehetővé tette a mikroszkópok felbontásának jelentős növelését. Az elektron hullámhossza a sebességtől, tehát az elektronokat gyorsító feszültségtől függ (lásd a 4. függelék 5. feladatát). A legtöbb elektronmikroszkópban a de Broglie-hullámhossz több százszor kisebb, mint a fény hullámhossza. Lehetővé vált, hogy még kisebb tárgyakat is lássunk, egészen egyes molekulákig.

Megszületett a hullámmechanika, a kvantumfizika nagy építményének alapja. De Broglie lefektette a fény interferencia és diffrakció elméletének alapjait, új levezetést adott a Planck-képletből, és mély összefüggést hozott létre a részecskék mozgása és a hozzájuk kapcsolódó hullámok között.

Bármely elmélet tanulmányozása során mindig megjegyeztük ennek az elméletnek a korlátait. A kvantumelmélet alkalmazhatóságának határai még nem tisztázottak, de törvényeit alkalmazni kell a mikrorészecskék mozgásának leírására a tér kis régióiban és az elektromágneses hullámok nagy frekvenciáján, amikor a mérőműszerek lehetővé teszik az egyes kvantumok (energia) regisztrálását. ~10-16 J). Tehát az anyag és a röntgensugárzás kölcsönhatásának leírásához, amelynek kvantumainak energiája két nagyságrenddel nagyobb a fent megállapított határnál, szükséges a kvantumfizika törvényeinek alkalmazása, valamint a sugárzás tulajdonságainak leírása. rádióhullámok, a klasszikus elektrodinamika törvényei elégségesek. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a kvantumelmélet fő „tesztelési terepe” az atom és az atommag fizikája.

A mai lecke befejezéseként ismét felteszem a kérdést: mi a fény? ( Diák válaszol.)

Irodalom

Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fizika. 11. évfolyam: oktatási. általános oktatási intézmények számára: alap- és szakmai. szinteket. M.: Oktatás, 2009.
Videolexikon a közoktatás számára. Lennauchfilm. Videóstúdió "Kvart". [Elektronikus forrás] 2. kazetta „Hősugárzás”.
Tomilin A.N. Az eredetet keresve: tudományos-pop. kiadás. L.: Det. irodalom, 1990.
Kvantummechanika. Kvantumelektrodinamika // Encycl. sl. fiatal fizikus / Összeáll. V.A. Chuyanov. M.: Pedagógia, 1984.
Koltun M. A fizika világa. M.: Det. irodalom, 1984.
Solopov E.F. Filozófia: tankönyv. segítség a diákoknak magasabb tankönyv létesítmények. M.: Vlados, 2003.
Ilchenko V.R. Fizika, kémia, biológia kereszteződése: könyv. diákoknak. M.: Oktatás, 1986.
Katz Ts.B. Biofizika a fizika órákon: könyv. a tanár számára. M.: Oktatás, 1988.

Elena Stepanovna Uvitskaya– a legmagasabb képesítési kategóriájú fizikatanár, a Tulai Állami Pedagógiai Intézetben végzett. L.N. Tolsztojt 1977-ben, és az Urálba, a kis ipari városba, Lysvaba küldték, ahol jelenleg is dolgozik. Az Orosz Föderáció általános oktatásának tiszteletbeli dolgozója, a fizika-matematika tanárok összoroszországi versenyének győztese (Dinasztia Alapítvány). A végzősök évek óta sikeresen letették az egységes államvizsgát, és bekerültek a moszkvai, szentpétervári, jekatyerinburgi és permi egyetemekre. Egyszer, miután olvastam a Smaragdtábláról, megdöbbentett a legendás Hermész gondolatának aktuális aktualitása: Univerzumunkban minden dolog, tárgy, folyamat egymás és egyetlen egész vonásait hordozza. Azóta nagy figyelmet fordít az interdiszciplináris összefüggésekre és analógiákra: fizika és biológia, fizika és matematika, fizika és irodalom, most pedig a fizika és az angol nyelv. Tudományos munkát végez diákokkal, főleg általános iskolában: hol él az elektromosság? Miért olyan szokatlan a közönséges víz? Milyen ez, a sztárok titokzatos világa? A családnak két fia van, mindketten a Permi Állami Műszaki Egyetemen végeztek. A junior mérnök, az idősebb karate-do tanár, fekete öves, második danos, többszörös orosz bajnok, résztvevő a japán világbajnokságon. A tanárnő sikere lehetetlen lett volna férje, villamosmérnök segítsége nélkül: kísérletek fejlesztése és lebonyolítása, új eszközök készítése, és egyszerűen a különféle élethelyzetekben segítő támogatások és tanácsok.

Az összes jelentkezés a következő helyen található: . – Szerk.

Maxwell elméletének szerepét leginkább a híres fizikus, Robert Feynman fejezte ki: „Az emberiség történetében (ha megnézzük mondjuk 10 000 év múlva) a 19. század legjelentősebb eseménye kétségtelenül Maxwell felfedezése lesz. az elektrodinamika törvényei. Ennek a fontos tudományos felfedezésnek a hátterében az amerikai polgárháború ugyanebben az évtizedben egy kisebb tartományi incidensnek fog kinézni.”

Planck sokáig habozott, hogy a bölcsészt vagy a fizikát válassza. Planck minden munkája kitűnik a kecsességgel és a szépséggel. A. Einstein így írt róluk: „Művei tanulmányozásakor az a benyomásunk támad, hogy kreativitásának egyik fő rugója a művészi igény.

A kvantumelmélet megjelenése és fejlődése az anyag szerkezetéről, a mozgásról, az okságról, a térről, az időről, a megismerés természetéről stb. kapcsolatos klasszikus elképzelések megváltozásához vezetett, ami hozzájárult a világkép radikális átalakulásához. Az anyagrészecske klasszikus megértését a környezettől való éles elszakadása, saját mozgásának és térbeli elhelyezkedésének birtoklása jellemezte. A kvantumelméletben a részecskét annak a rendszernek a funkcionális részeként kezdték ábrázolni, amelyben szerepel, és nem rendelkezik egyszerre koordinátákkal és impulzussal. A klasszikus elméletben a mozgást egy önmagával azonosnak maradó részecske átvitelének tekintették egy bizonyos pálya mentén. A részecskék mozgásának kettős természete szükségessé tette a mozgás ilyen ábrázolásának elhagyását. A klasszikus (dinamikus) determinizmus átadta helyét a valószínűségi (statisztikai) determinizmusnak. Ha korábban az egészet alkotórészeinek összegeként fogták fel, akkor a kvantumelmélet feltárta a részecske tulajdonságainak függőségét attól a rendszertől, amelyben benne van. A kognitív folyamat klasszikus felfogása az anyagi tárgy önmagában létező ismeretéhez kapcsolódott. A kvantumelmélet kimutatta, hogy az objektumról szerzett tudás függ a kutatási eljárásoktól. Ha a klasszikus elmélet teljesnek vallotta magát, akkor a kvantumelmélet kezdettől fogva hiányosként bontakozott ki, számos hipotézis alapján, amelyek jelentése eleinte korántsem volt egyértelmű, ezért főbb rendelkezései különböző értelmezéseket, értelmezéseket kaptak. .
A nézeteltérések elsősorban a mikrorészecskék kettősségének fizikai jelentésével kapcsolatban merültek fel. De Broglie először terjesztette elő a pilothullám fogalmát, amely szerint egy hullám és egy részecske együtt létezik, a hullám vezeti a részecskét. Valódi anyagképződmény, amely megőrzi stabilitását, a részecske, hiszen ennek van energiája és lendülete. A részecskét szállító hullám szabályozza a részecske mozgásának természetét. A hullám amplitúdója a tér minden pontjában meghatározza annak valószínűségét, hogy egy részecske lokalizálódik ezen pont közelében. Schrödinger lényegében úgy oldja meg a részecskekettősség problémáját, hogy eltávolítja azt. Számára a részecske tisztán hullámképződményként működik. Más szóval, a részecske a hullám helye, amelyben a hullám legnagyobb energiája koncentrálódik. De Broglie és Schrödinger interpretációi lényegében a klasszikus fizika szellemében próbáltak vizuális modelleket létrehozni. Ez azonban lehetetlennek bizonyult.
Heisenberg a kvantumelmélet olyan értelmezését javasolta (ahogy korábban bemutattuk), hogy a fizika csak méréseken alapuló fogalmakat és mennyiségeket használjon. Ezért Heisenberg felhagyott az elektronok atomban való mozgásának vizuális ábrázolásával. A makrokészülékek nem tudják leírni a részecske mozgását, miközben egyszerre rögzítik a lendületet és a koordinátákat (vagyis klasszikus értelemben), mivel az eszköz és a részecske kölcsönhatása alapvetően nem teljesen szabályozható - a bizonytalansági összefüggés miatt az impulzusmérés nem teszi azt. a koordináták meghatározása és fordítva. Vagyis a mérések alapvető pontatlansága miatt az elmélet előrejelzései csak valószínűségi jellegűek lehetnek, a valószínűség pedig a részecske mozgására vonatkozó információk alapvető hiányosságának következménye. Ez a körülmény arra a következtetésre vezetett, hogy a klasszikus értelemben vett ok-okozati összefüggés elve összeomlik, ami a lendület és a koordináták pontos értékeinek előrejelzését feltételezte. A kvantumelmélet keretein belül tehát nem megfigyelési vagy kísérleti hibákról beszélünk, hanem alapvető tudáshiányról, amelyet a valószínűségi függvénnyel fejeznek ki.
Heisenberg kvantumelmélet-értelmezését Bohr dolgozta ki, és koppenhágai értelmezésként vált ismertté. Ezen értelmezés keretein belül a kvantumelmélet fő álláspontja a komplementaritás elve, amely azt a követelményt jelenti, hogy a fogalmak, eszközök és kutatási eljárások egymást kölcsönösen kizáró, sajátos körülményei között használt és egymást kiegészítő osztályok felhasználásával nyerjük el. holisztikus kép a vizsgált tárgyról a megismerés folyamatában. Ez az elv a Heisenberg-féle bizonytalansági relációhoz hasonlít. Ha a lendület és a koordináták mint egymást kizáró és egymást kiegészítő kutatási eljárások meghatározásáról beszélünk, akkor ezen elvek azonosítása indokolt. A komplementaritás elvének jelentése azonban tágabb, mint a bizonytalansági viszonyok. Az atom stabilitásának magyarázata érdekében Bohr egy modellben egyesítette az elektronmozgás klasszikus és kvantum fogalmát. A komplementaritás elve tehát lehetővé tette a klasszikus elképzelések kvantumosakkal való kiegészítését. Miután felismerte a fény hullám- és korpuszkuláris tulajdonságai közötti ellentétet, és nem találta meg azok egységét, Bohr hajlamos volt két egymással egyenértékű leírási módszerre gondolni - a hullám és a korpuszkuláris - ezek későbbi kombinációjával. Helyesebb tehát azt mondani, hogy a komplementaritás elve a koordináta és az impulzus közötti összefüggést kifejező bizonytalansági reláció továbbfejlesztése.
Számos tudós értelmezte a klasszikus determinizmus elvének megsértését a kvantumelmélet keretein belül az indeternizmus javára. A valóságban itt a determinizmus elve megváltoztatta a formáját. A klasszikus fizika keretein belül, ha a kezdeti időpillanatban ismerjük a rendszer elemeinek helyzetét és mozgásállapotát, akkor bármely jövőbeli pillanatban teljesen megjósolható a helyzete. Minden makroszkopikus rendszerre vonatkozott ez az elv. Még azokban az esetekben is, amikor szükség volt a valószínűségek bevezetésére, mindig azt feltételezték, hogy minden elemi folyamat szigorúan determinisztikus, és csak nagy számuk és rendezetlen viselkedésük kényszerítette az embert a statisztikai módszerek felé fordulásra. A kvantumelméletben a helyzet alapvetően más. A deterternizáció elveinek megvalósításához a koordináták és a momentumok ismerete szükséges, ezt pedig a bizonytalansági reláció tiltja. A valószínűség használata itt a statisztikai mechanikához képest eltérő jelentéssel bír: ha a statisztikai mechanikában a valószínűségeket nagy léptékű jelenségek leírására használták, akkor a kvantumelméletben a valószínűségeket éppen ellenkezőleg, maguknak az elemi folyamatoknak a leírására vezetik be. Mindez azt jelenti, hogy a nagyméretű testek világában a kauzalitás dinamikus elve működik, a mikrovilágban pedig az okság valószínűségi elve.
A koppenhágai értelmezés egyrészt feltételezi a kísérletek klasszikus fizika szerinti leírását, másrészt e fogalmak felismerését, mint amelyek nem felelnek meg pontosan a tényállásnak. Ez az inkonzisztencia határozza meg a kvantumelmélet valószínűségét. A klasszikus fizika fogalmai a természetes nyelv fontos részét képezik. Ha nem használjuk ezeket a fogalmakat az általunk végzett kísérletek leírására, akkor nem fogjuk tudni megérteni egymást.
A klasszikus fizika eszménye a tudás teljes objektivitása. A megismerésben azonban műszereket használunk, és ezáltal – ahogy Heinserberg mondja – egy szubjektív elem kerül be az atomi folyamatok leírásába, hiszen a műszert a megfigyelő hozta létre. „Nem szabad elfelejtenünk, hogy amit megfigyelünk, az nem magát a természetet, hanem a természetet, ahogyan a kérdésfeltevésünkön keresztül megjelenik. A fizika tudományos munkája az, hogy kérdéseket teszünk fel a természetről az általunk használt nyelvnek, és kísérletben próbáljuk meg megtalálni a választ. a rendelkezésünkre álló eszközök segítségével hajtjuk végre. Ebben az esetben felidézzük Bohr kvantumelméletről szóló szavait: ha harmóniát keresünk az életben, soha nem szabad elfelejtenünk, hogy az élet játékában ott vagyunk Egyszerre nézők és résztvevők. Egyértelmű, hogy a természethez fűződő tudományos kapcsolatunkban saját tevékenységünk válik fontossá, ahol a természet olyan területeivel kell foglalkoznunk, amelyekbe csak a legfontosabb technikai eszközökkel lehet behatolni."
Az is kiderült, hogy lehetetlen a klasszikus tér- és időfogalmakat használni az atomi jelenségek leírására. A kvantumelmélet másik alkotója ezt írta erről: „a cselekvéskvantum létezése teljesen váratlan összefüggést tárt fel a geometria és a dinamika között: kiderül, hogy a fizikai folyamatok geometriai térben történő lokalizálásának lehetősége függ azok dinamikus állapotától. Az általános relativitáselmélet már megtanított arra, hogy figyelembe vegyük a téridő lokális tulajdonságait az anyag Univerzumban való eloszlásától függően, azonban a kvantumok létezése sokkal mélyebb átalakulást igényel, és már nem teszi lehetővé, hogy egy fizikai mozgását ábrázoljuk. tárgy egy bizonyos vonal mentén téridőben (világvonal). A mozgásállapotot már nem lehet meghatározni a tárgy egymás utáni helyzetét a térben az időben ábrázoló görbe alapján. Most a dinamikus állapotot nem úgy kell tekintenünk, mint a tér-időbeli lokalizáció következménye, de a fizikai valóság független és kiegészítő aspektusaként"
A kvantumelmélet értelmezési problémájáról folytatott viták feltárták a kvantumelmélet státuszának kérdését – hogy vajon a mikrorészecskék mozgásának teljes elmélete-e. A kérdést először Einstein fogalmazta meg így. Álláspontja a rejtett paraméterek fogalmában fejeződött ki. Einstein abból indult ki, hogy a kvantumelméletet olyan statisztikai elméletként értelmezte, amely nem egy egyedi részecskék, hanem azok együttesének viselkedésével kapcsolatos mintákat ír le. Minden részecske mindig szigorúan lokalizált, és egyidejűleg rendelkezik bizonyos impulzusértékekkel és koordinátákkal. A bizonytalansági kapcsolat nem a valóság valós szerkezetét tükrözi a mikrofolyamatok szintjén, hanem a kvantumelmélet hiányosságát – csupán arról van szó, hogy annak szintjén nincs lehetőségünk egyszerre mérni a lendületet és a koordinációt, bár ezek valójában léteznek, de rejtett paraméterek (a kvantumelmélet keretein belül rejtve). Einstein a részecske állapotának hullámfüggvény segítségével történő leírását hiányosnak tartotta, ezért a kvantumelméletet a mikrorészecske mozgásának hiányos elmélete formájában mutatta be.
Bohr ebben a vitában az ellenkező álláspontot foglalta el, a mikrorészecske dinamikus paramétereinek objektív bizonytalanságának felismerése alapján, mint a kvantumelmélet statisztikai természetének oka. Véleménye szerint az objektíven bizonytalan mennyiségek létezésének Einstein tagadása megmagyarázhatatlanná teszi a mikrorészecskékben rejlő hullámtulajdonságokat. Bohr lehetetlennek tartotta a visszatérést a mikrorészecskék mozgásának klasszikus fogalmaihoz.
Az 50-es években A 20. században D. Bohm visszatért a de Broglie-féle pilothullám koncepciójához, bemutatva a pszi-hullámot, mint egy részecskéhez kapcsolódó valós mezőt. A kvantumelmélet koppenhágai interpretációjának hívei, sőt ellenzői közül néhányan nem támogatták Bohm álláspontját, de ez hozzájárult de Broglie koncepciójának mélyebb kidolgozásához: a részecskét olyan különleges képződménynek kezdték tekinteni, amely a bennük keletkezik és mozog. a pszi-mező, de megőrzi egyéniségét. P. Vigier és L. Jánosi, akik ezt a koncepciót kidolgozták, munkáit sok fizikus túlságosan „klasszikusnak” értékelte.
A szovjet időszak hazai filozófiai irodalmában a kvantumelmélet koppenhágai értelmezését bírálták a megismerési folyamat értelmezésében tanúsított „pozitivista attitűdök iránti elkötelezettsége” miatt. Számos szerző azonban megvédte a kvantumelmélet koppenhágai értelmezésének érvényességét. A tudományos tudás klasszikus eszményének nem klasszikusra való felváltása együtt járt azzal a megértéssel, hogy a megfigyelőt, aki egy tárgyról képet próbál alkotni, nem lehet eltéríteni a mérési eljárástól, i.e. a kutató nem tudja megmérni a vizsgált objektum paramétereit, mint a mérési eljárás előtt. W. Heisenberg, E. Schrödinger és P. Dirac a kvantumelmélet alapjául a bizonytalanság elvét fektették le, amelynek keretein belül a részecskéknek már nem volt határozott és független impulzusa és koordinátái. A kvantumelmélet így bevezette a tudományba a kiszámíthatatlanság és a véletlenszerűség elemét. És bár Einstein nem értett egyet ezzel, a kvantummechanika összhangban volt a kísérlettel, és ezért sok tudományterület alapja lett.

Ezt a tervet részletesebben Bose és munkatársai – az Ocean tizenegy szakértőjének a javaslat különböző szakaszaira vonatkozó munkája ismerteti. Gavin Morley társszerző például a Warwicki Egyetem laboratóriumában dolgozik az első lépésen, és két helyen próbál egy mikrogyémántot kvantum-szuperpozícióba helyezni. Ennek érdekében egy nitrogénatomot bezár a mikrogyémántba, a gyémántszerkezetben lévő üresedés mellé (az úgynevezett NV-központ, vagy a gyémánt nitrogén-szubsztituált üressége), és mikrohullámú impulzussal tölti fel. Az NV középpontja körül forgó elektron egyszerre nyeli el a fényt és nem, és a rendszer két forgásirány kvantum-szuperpozíciójába kerül - felfelé és lefelé -, mint egy csúcs, amely bizonyos valószínűséggel az óramutató járásával megegyező, bizonyos valószínűséggel az óramutató járásával ellentétes irányban forog. Az ezzel a szuperpozíciós pörgetéssel megtöltött mikrogyémánt mágneses térnek van kitéve, amelynek hatására a felső spin balra, az alsó pedig jobbra mozdul el. Maga a gyémánt két pálya szuperpozíciójára hasad.

Minden esetben különböző mértékű gravitációs vonzás hat a gyémánt szuperpozíciók fejlődő összetevőire. A két gyémánt kölcsönösen függővé válik, mert állapotuk csak kombináltan határozható meg - ha ez azt jelenti -, így végül a két NV-középpontrendszer forgásiránya korrelál.

Miután a mikrogyémántok három másodpercig egymás mellé esnek - elég hosszú ideig ahhoz, hogy belegabalyodjanak a gravitációba - áthaladnak egy másik mágneses mezőn, amely ismét egy vonalba helyezi az egyes szuperpozíciók ágait. A kísérlet utolsó lépése a Barbara Theral dán fizikus és mások által kidolgozott összefonódás-tanús protokoll: kék és piros gyémántok kerülnek különböző eszközökbe, amelyek az NV-központrendszerek forgásirányát mérik. (A mérés hatására a szuperpozíciók bizonyos állapotokba esnek.) A két eredményt ezután összehasonlítják. A kísérlet újra és újra elvégzésével, és sok pár spinmérés összehasonlításával a tudósok meg tudják állapítani, hogy két kvantumrendszer spinjei valóban gyakrabban korrelálnak-e, mint a felső határ a kvantummechanikailag nem összefonódott objektumok esetében. Ha igen, a gravitáció valójában összekuszálja a gyémántokat, és támogathatja a szuperpozíciókat.

"A kísérletben az az érdekes, hogy nem kell tudnod, mi az a kvantumelmélet" - mondja Blencowe. „Csak annyit kell mondani, hogy ennek a régiónak van valamilyen kvantum-aspektusa, amelyet a két részecske közötti erő közvetít.”

Mi az egyedi a gravitációban?

A kvantumgravitáció kutatóinak nincs kétsége afelől, hogy a gravitáció olyan kvantumerő, amely összefonódást okozhat. Természetesen a gravitáció némileg egyedi, és még sokat kell tanulni a tér és az idő eredetéről, de a kvantummechanikát mindenképpen be kell vonni a tudósok szerint. "Valójában mi értelme van annak az elméletnek, amelyben a fizika nagy része kvantum, a gravitáció pedig klasszikus" - mondja Daniel Harlow, az MIT kvantumgravitációs kutatója. A vegyes kvantum-klasszikus modellekkel szembeni elméleti érvek nagyon erősek (bár nem meggyőzőek).

A papírok elolvasása után Dyson ezt írta: „A javasolt kísérlet minden bizonnyal nagy érdeklődésre tart számot, és egy valódi kvantumrendszer körülményei között kell végrehajtani.” Megjegyzi azonban, hogy a szerzők gondolatmenete a kvantumterekről eltér az övétől. „Nem világos számomra, hogy ez a kísérlet meg tudja-e oldani a kvantumgravitáció létezésének kérdését. Az általam feltett kérdés – egy külön megfigyelt graviton – egy másik kérdés, és más válasz is lehet rá.”

„De ha elvégzi ezt az egyszerű kísérletet, és megmutatja, hogy a gravitációs mező szuperpozícióban volt, nyilvánvalóvá válik a klasszikus leírás kudarca. Mert lesz egy kísérlet, ami azt sugallja, hogy a gravitáció kvantum.

A Quanta Magazin anyagai alapján