Kvantu teorijas dzimšana. Foto efekts

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

Šrūdingera kaķis

Mūsdienās ir daudz kvantu mehānikas interpretāciju, no kurām populārākā joprojām ir Kopenhāgenas interpretācija. Tās galvenos principus 20. gadsimta 20. gados formulēja Nīls Bors un Verners Heizenbergs. Un Kopenhāgenas interpretācijas centrālais termins bija viļņu funkcija - matemātiska funkcija, kas satur informāciju par visiem iespējamajiem kvantu sistēmas stāvokļiem, kuros tā vienlaikus atrodas.

Saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju tikai novērojumi var droši noteikt sistēmas stāvokli un atšķirt to no pārējām (viļņu funkcija tikai palīdz matemātiski aprēķināt sistēmas noteikšanas varbūtību noteiktā stāvoklī). Var teikt, ka pēc novērošanas kvantu sistēma kļūst par klasisku: tā uzreiz pārstāj līdzāspastāvēt daudzos stāvokļos par labu vienam no tiem.

Šai pieejai vienmēr ir bijuši pretinieki (atcerieties, piemēram, Alberta Einšteina “Dievs nespēlē kauliņus”), taču aprēķinu un prognožu precizitāte ir darījusi savu. Tomēr pēdējā laikā Kopenhāgenas interpretācijas atbalstītāju kļūst arvien mazāk, un ne mazākais iemesls tam ir ļoti noslēpumainais momentānais viļņu funkcijas sabrukums mērījumu laikā. Ervina Šrēdingera slavenais domu eksperiments ar nabaga kaķi bija tieši paredzēts, lai parādītu šīs parādības absurdumu.

Tātad, atcerēsimies eksperimenta saturu. Melnajā kastē tiek ievietots dzīvs kaķis, ampula ar indi un noteikts mehānisms, kas pēc nejaušības principa var iedarbināt indi. Piemēram, viens radioaktīvs atoms, kura sabrukšanas rezultātā ampula saplīsīs. Precīzs atomu sabrukšanas laiks nav zināms. Ir zināms tikai pussabrukšanas periods: laiks, kurā notiks sabrukšana ar 50% varbūtību.

Izrādās, ka ārējam novērotājam kaķis kastē eksistē uzreiz divos stāvokļos: vai nu dzīvs, ja viss iet labi, vai arī miris, ja notikusi sabrukšana un ampula saplīsusi. Abus šos stāvokļus raksturo kaķa viļņu funkcija, kas laika gaitā mainās: jo tālāk, jo lielāka iespējamība, ka radioaktīvā sabrukšana jau ir notikusi. Bet, tiklīdz kaste tiek atvērta, viļņu funkcija sabrūk, un mēs uzreiz redzam knacker eksperimenta iznākumu.

Izrādās, ka līdz brīdim, kad novērotājs atvērs kasti, kaķis mūžīgi balansēs uz robežas starp dzīvību un nāvi, un tikai novērotāja rīcība noteiks tā likteni. Tas ir absurds, uz kuru norādīja Šrēdingers.

Elektronu difrakcija

Saskaņā ar The New York Times veikto vadošo fiziķu aptauju, Klausa Džensona 1961. gadā veiktais eksperiments ar elektronu difrakciju kļuva par vienu no skaistākajiem zinātnes vēsturē. Kāda ir tā būtība?

Ir avots, kas izstaro elektronu plūsmu uz fotoplates ekrānu. Un šo elektronu ceļā ir šķērslis - vara plāksne ar diviem spraugām. Kādu attēlu jūs varat sagaidīt ekrānā, ja domājat, ka elektroni ir tikai mazas uzlādētas bumbiņas? Divas izgaismotas svītras pretī spraugām.

Patiesībā ekrānā parādās daudz sarežģītāks mainīgu melnu un baltu svītru modelis. Fakts ir tāds, ka, izejot cauri spraugām, elektroni sāk uzvesties nevis kā daļiņas, bet kā viļņi (tāpat kā fotoni, gaismas daļiņas, vienlaikus var būt viļņi). Tad šie viļņi mijiedarbojas telpā, vietām vājinot un stiprinot viens otru, kā rezultātā ekrānā parādās sarežģīts attēls ar mainīgām gaišām un tumšām svītrām.

Šajā gadījumā eksperimenta rezultāts nemainās, un, ja elektroni tiek raidīti caur spraugu nevis nepārtrauktā plūsmā, bet gan atsevišķi, pat viena daļiņa vienlaikus var būt vilnis. Pat viens elektrons var vienlaikus iziet cauri diviem spraugām (un šī ir vēl viena svarīga kvantu mehānikas Kopenhāgenas interpretācijas pozīcija - objekti var vienlaikus parādīt savas “parastās” materiāla īpašības un eksotisko viļņu īpašības).

Bet kāds ar to sakars novērotājam? Neskatoties uz to, ka viņa jau tā sarežģītais stāsts kļuva vēl sarežģītāks. Kad līdzīgos eksperimentos fiziķi mēģināja noteikt ar instrumentu palīdzību, kas cauri izlaida elektronu, attēls uz ekrāna krasi mainījās un kļuva “klasisks”: divi izgaismoti laukumi pretī spraugām un bez mainīgām svītrām.

Likās, ka elektroni nevēlējās parādīt savu viļņu dabu novērotāja modrajā skatienā. Mēs pielāgojāmies viņa instinktīvajai vēlmei redzēt vienkāršu un saprotamu attēlu. Mistiķis? Ir daudz vienkāršāks izskaidrojums: nevienu sistēmas novērošanu nevar veikt bez fiziskas ietekmes uz to. Bet pie šī mēs atgriezīsimies nedaudz vēlāk.

Karsēts fullerēns

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

Nesen grupa no Vīnes universitātes profesora Zeilingera vadībā mēģināja šādos eksperimentos ieviest novērošanas elementu. Lai to izdarītu, viņi ar lāzera staru apstaroja kustīgās fullerēna molekulas. Pēc tam, ārējās ietekmes karsētas, molekulas sāka mirdzēt un tādējādi neizbēgami atklāja novērotājam savu vietu kosmosā.

Līdz ar šo jauninājumu mainījās arī molekulu uzvedība. Pirms pilnīgas novērošanas sākuma fullerēni diezgan veiksmīgi pārvarēja šķēršļus (izrādīja viļņu īpašības), piemēram, elektronus no iepriekšējā piemēra, kas iet cauri necaurspīdīgam ekrānam. Taču vēlāk, līdz ar novērotāja parādīšanos, fullerēni nomierinājās un sāka uzvesties kā pilnīgi likumpaklausīgas matērijas daļiņas.

Dzesēšanas dimensija

Viens no slavenākajiem kvantu pasaules likumiem ir Heizenberga nenoteiktības princips: nav iespējams vienlaicīgi noteikt kvantu objekta pozīciju un ātrumu. Jo precīzāk mēs izmērām daļiņas impulsu, jo neprecīzāk var izmērīt tās pozīciju. Bet kvantu likumu ietekme, kas darbojas sīku daļiņu līmenī, parasti nav pamanāma mūsu lielo makroobjektu pasaulē.

Tāpēc jo vērtīgāki ir profesora Švāba grupas nesenie eksperimenti no ASV, kuros kvantu efekti tika demonstrēti nevis to pašu elektronu vai fullerēna molekulu līmenī (to raksturīgais diametrs ir aptuveni 1 nm), bet gan uz nedaudz taustāmāka. objekts - niecīga alumīnija sloksne.

Šī sloksne bija nostiprināta no abām pusēm tā, lai tās vidus būtu piekārts un varētu vibrēt ārējās ietekmē. Turklāt blakus sloksnei atradās ierīce, kas spēj ierakstīt tās pozīciju ar augstu precizitāti.

Rezultātā eksperimentētāji atklāja divus interesantus efektus. Pirmkārt, jebkurš objekta stāvokļa mērījums vai sloksnes novērojums neizgāja, neatstājot viņai pēdas - pēc katra mērījuma mainījās sloksnes pozīcija. Aptuveni runājot, eksperimentētāji ļoti precīzi noteica joslas koordinātas un tādējādi saskaņā ar Heizenberga principu mainīja tās ātrumu un līdz ar to arī turpmāko pozīciju.

Otrkārt, un pavisam negaidīti daži mērījumi arī noveda pie sloksnes atdzesēšanas. Izrādās, ka novērotājs var mainīt objektu fiziskās īpašības tikai ar savu klātbūtni. Izklausās pilnīgi neticami, taču fiziķu gods, pieņemsim, ka viņi nebija ar zaudējumiem – tagad profesora Švāba grupa domā, kā atklāto efektu pielietot elektronisko mikroshēmu atdzesēšanai.

Sasalšanas daļiņas

Kā zināms, nestabilās radioaktīvās daļiņas pasaulē sadalās ne tikai eksperimentu ar kaķiem dēļ, bet arī pilnīgi pašas no sevis. Turklāt katrai daļiņai ir raksturīgs vidējais kalpošanas laiks, kas, izrādās, var palielināties novērotāja vērīgā skatienā.

Šis kvantu efekts pirmo reizi tika prognozēts pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, un tā izcilais eksperimentālais apstiprinājums parādījās rakstā, ko 2006. gadā publicēja Nobela prēmijas laureāta fiziķa Volfganga Keterla grupa Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā.

Šajā darbā mēs pētījām nestabilu ierosinātu rubīdija atomu sabrukšanu (sabrukšanu par rubīdija atomiem pamatstāvoklī un fotonos). Uzreiz pēc sistēmas sagatavošanas un atomu ierosināšanas tos sāka novērot – tos apgaismoja ar lāzera staru. Šajā gadījumā novērojums tika veikts divos režīmos: nepārtraukts (sistēmai pastāvīgi tiek piegādāti nelieli gaismas impulsi) un impulsa (sistēmu laiku pa laikam apstaro ar jaudīgākiem impulsiem).

Iegūtie rezultāti lieliski saskanēja ar teorētiskajām prognozēm. Ārējās gaismas ietekme faktiski palēnina daļiņu sabrukšanu, it kā atgriežot tās sākotnējā stāvoklī, tālu no sabrukšanas. Turklāt ietekmes apjoms diviem pētītajiem režīmiem arī sakrīt ar prognozēm. Un nestabilo ierosināto rubīdija atomu maksimālais mūžs tika pagarināts par 30 reizēm.

Kvantu mehānika un apziņa

Elektroni un fullerēni pārstāj izrādīt savas viļņu īpašības, alumīnija plāksnes atdziest, un nestabilās daļiņas sasalst savās sabrukšanas procesā: zem visuvarenā novērotāja skatiena pasaule mainās. Kas neliecina par mūsu prāta iesaistīšanos apkārtējās pasaules darbā? Tātad varbūt Karlam Jungam un Volfgangam Pauli (Austrijas fiziķis, Nobela prēmijas laureāts, viens no kvantu mehānikas pionieriem) bija taisnība, sakot, ka fizikas un apziņas likumi ir jāuzskata par savstarpēji papildinošiem?

Bet tas ir tikai viena soļa attālumā no ikdienas atpazīšanas: visa pasaule mums apkārt ir mūsu prāta būtība. Rāpojošs? ("Vai jūs tiešām domājat, ka Mēness pastāv tikai tad, kad uz to skatāties?" Einšteins komentēja kvantu mehānikas principus). Tad mēģināsim vēlreiz vērsties pie fiziķiem. Turklāt pēdējos gados arvien mazāk iecienījuši Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretāciju ar tās noslēpumaino funkcijas viļņa sabrukumu, ko nomaina cits, visai piezemēts un uzticams termins - dekoherence.

Lieta ir šāda: visos aprakstītajos novērošanas eksperimentos eksperimentētāji neizbēgami ietekmēja sistēmu. Viņi to apgaismoja ar lāzeru un uzstādīja mērinstrumentus. Un tas ir vispārējs, ļoti svarīgs princips: jūs nevarat novērot sistēmu, izmērīt tās īpašības, nedarbojoties ar to. Un kur ir mijiedarbība, tur mainās īpašības. Turklāt, kad kvantu objektu koloss mijiedarbojas ar niecīgu kvantu sistēmu. Tātad mūžīga, budistiska novērotāja neitralitāte nav iespējama.

Tas ir tieši tas, kas izskaidro terminu "dekoherence" - neatgriezenisks process, kurā tiek pārkāptas sistēmas kvantu īpašības, mijiedarbojoties ar citu, lielāku sistēmu. Šādas mijiedarbības laikā kvantu sistēma zaudē savas sākotnējās iezīmes un kļūst klasiska, “pakļaujoties” lielajai sistēmai. Tas izskaidro paradoksu ar Šrēdingera kaķi: kaķis ir tik liela sistēma, ka to vienkārši nevar izolēt no pasaules. Pats domu eksperiments nav gluži pareizs.

Katrā ziņā, salīdzinot ar realitāti kā apziņas radīšanas aktu, dekoherence izklausās daudz mierīgāk. Varbūt pat pārāk mierīgs. Galu galā ar šo pieeju visa klasiskā pasaule kļūst par vienu lielu dekoherences efektu. Un, pēc vienas no šīs jomas nopietnākajām grāmatām autoru domām, no šādām pieejām loģiski izriet arī tādi apgalvojumi kā “pasaulē nav daļiņu” vai “nav laika fundamentālā līmenī”.

Radošs vērotājs vai visvarenā dekoherence? Jums ir jāizvēlas starp diviem ļaunumiem. Bet atcerieties – tagad zinātnieki arvien vairāk pārliecinās, ka mūsu domāšanas procesu pamatā ir tie paši bēdīgi slavenie kvantu efekti. Tātad, kur beidzas vērošana un sākas realitāte – katram no mums ir jāizvēlas.

1935. gadā, kad kvantu mehānika un Einšteina vispārējā relativitātes teorija bija ļoti jauna, ne tik slavenais padomju fiziķis Matvejs Bronšteins 28 gadu vecumā veica pirmo detalizēto pētījumu par šo divu teoriju saskaņošanu kvantu teorijā. smagums. Šī "varbūt visas pasaules teorija", kā rakstīja Bronšteins, varētu aizstāt Einšteina klasisko gravitācijas aprakstu, kurā tas tiek uzskatīts par līknēm telpas-laika kontinuumā, un pārrakstīt to kvantu valodā, tāpat kā pārējo fiziku.

Bronšteins izdomāja, kā aprakstīt gravitāciju kvantizētu daļiņu izteiksmē, ko tagad sauc par gravitoniem, bet tikai tad, ja gravitācijas spēks ir vājš, tas ir, (vispārējā relativitātes teorijā), kad telpas laiks ir tik nedaudz izliekts, ka būtībā tas ir plakans. Kad gravitācija ir spēcīga, "situācija ir pilnīgi atšķirīga," rakstīja zinātnieks. "Bez klasisko koncepciju dziļas pārskatīšanas šķiet gandrīz neiespējami iedomāties gravitācijas kvantu teoriju šajā jomā."

Viņa vārdi bija pravietiski. Astoņdesmit trīs gadus vēlāk fiziķi joprojām cenšas saprast, kā telpas un laika izliekums izpaužas makroskopiskos mērogos, kas izriet no fundamentālāka un, iespējams, kvantu gravitācijas attēla; Tas, iespējams, ir visdziļākais jautājums fizikā. Varbūt, ja būtu iespēja, Bronšteina gaišais prāts paātrinātu šo meklējumu procesu. Papildus kvantu gravitācijai viņš sniedza ieguldījumu arī astrofizikā un kosmoloģijā, pusvadītāju teorijā, kvantu elektrodinamikā un uzrakstīja vairākas grāmatas bērniem. 1938. gadā viņš nokļuva Staļina represijās un tika izpildīts 31 gada vecumā.

Pilnīgas kvantu gravitācijas teorijas meklējumus sarežģī fakts, ka gravitācijas kvantu īpašības nekad neizpaužas reālajā pieredzē. Fiziķi neredz, kā tiek pārkāpts Einšteina aprakstītais gludās telpas-laika kontinuums vai Bronšteina kvantu tuvinājums tam nedaudz izliektā stāvoklī.

Problēma ir gravitācijas spēka ārkārtējais vājums. Lai gan kvantētās daļiņas, kas pārraida spēcīgus, vājus un elektromagnētiskos spēkus, ir tik spēcīgas, ka tās cieši saista vielu atomos un tās var izmeklēt burtiski zem palielināmā stikla, atsevišķi gravitoni ir tik vāji, ka laboratorijām nav iespēju tās atklāt. Lai būtu liela varbūtība noķert gravitonu, daļiņu detektoram jābūt tik lielam un masīvam, ka tas sabrūk melnajā caurumā. Šis vājums izskaidro, kāpēc ir vajadzīgas astronomiskas masas uzkrāšanās, lai ar gravitācijas palīdzību ietekmētu citus masīvus ķermeņus, un kāpēc mēs redzam gravitācijas efektus milzīgos mērogos.

Tas vēl nav viss. Šķiet, ka Visums ir pakļauts kaut kādai kosmiskai cenzūrai: spēcīgas gravitācijas reģioni, kur telpas laika līknes ir tik asas, ka Einšteina vienādojumi sabojājas un jāatklāj gravitācijas un telpas laika kvantu raksturs, vienmēr slēpjas aiz melno caurumu apvāršņiem.

"Pat pirms dažiem gadiem pastāvēja vispārēja vienprātība, ka, visticamāk, nav iespējams nekādā veidā izmērīt gravitācijas lauka kvantēšanu," saka Igors Pikovskis, Hārvardas universitātes teorētiskais fiziķis.

Tagad vairāki jaunākie raksti, kas publicēti izdevumā Physical Review Letters, to ir mainījuši. Šie dokumenti apgalvo, ka var būt iespējams nokļūt līdz kvantu gravitācijai, pat neko par to nezinot. Raksti, ko uzrakstījuši Sugato Bose no Londonas Universitātes koledžas un Kjara Marleto un Vlatko Vedrals no Oksfordas Universitātes, piedāvā tehniski sarežģītu, bet īstenojamu eksperimentu, kas varētu apstiprināt, ka gravitācija ir kvantu spēks, tāpat kā visi citi, bez nepieciešamības noteikt gravitonu. . Dartmutas koledžas kvantu fiziķis Miless Blenkovs, kurš nebija iesaistīts šajā darbā, saka, ka šāds eksperiments varētu atklāt skaidru neredzamās kvantu gravitācijas zīmi - "Češīras kaķa smaidu".

Ierosinātais eksperiments noteiks, vai divi objekti - Bose grupa plāno izmantot mikrodimantu pāri - var savstarpēji kvantu mehāniski sapīties viens ar otru, izmantojot savstarpēju gravitācijas pievilcību. Sapīšanās ir kvantu parādība, kurā daļiņas kļūst nedalāmi savītas, daloties ar vienu fizisko aprakstu, kas nosaka to iespējamos kombinētos stāvokļus. (Dažādu iespējamo stāvokļu līdzāspastāvēšanu sauc par "superpozīciju", un tā nosaka kvantu sistēmu.) Piemēram, sapinušo daļiņu pāris var pastāvēt superpozīcijā, kurā daļiņai A ir 50% varbūtība griezties no apakšas uz augšu, bet daļiņa B griezīsies no augšas uz leju un ar 50% varbūtību otrādi. Neviens iepriekš nezina, kādu rezultātu jūs iegūsit, mērot daļiņu griešanās virzienu, taču varat būt drošs, ka tas būs arī viņiem.

Autori apgalvo, ka divi objekti ierosinātajā eksperimentā var sapīties šādā veidā tikai tad, ja spēks, kas darbojas starp tiem - šajā gadījumā gravitācija - ir kvantu mijiedarbība, ko mediē gravitoni, kas var atbalstīt kvantu superpozīcijas. "Ja eksperiments tiek veikts un tiek iegūta sapīšanās, saskaņā ar darbu mēs varam secināt, ka gravitācija ir kvantēta," skaidroja Blenkovs.

Sajauciet dimantu

Kvantu gravitācija ir tik smalka, ka daži zinātnieki ir apšaubījuši tās esamību. Slavenais matemātiķis un fiziķis Frīmens Daisons (94) kopš 2001. gada ir apgalvojis, ka Visums varētu atbalstīt sava veida “duālistisku” aprakstu, kurā “Einšteina vispārējās relativitātes teorijas aprakstītais gravitācijas lauks būtu tīri klasisks lauks bez kvantu uzvedības”. , kamēr visa matērija šajā gludajā telpas-laika kontinuumā tiks kvantificēta ar daļiņām, kas pakļaujas varbūtības noteikumiem.

Daisons, kurš palīdzēja izstrādāt kvantu elektrodinamiku (materiāla un gaismas mijiedarbības teoriju) un ir emeritētais profesors Prinstonā, Ņūdžersijā, Padziļināto pētījumu institūtā, neuzskata, ka kvantu gravitācija ir nepieciešama, lai aprakstītu melno caurumu nesasniedzamos interjerus. . Un viņš arī uzskata, ka hipotētiskā gravitona noteikšana principā var būt neiespējama. Tādā gadījumā viņš saka, ka kvantu gravitācija būtu metafiziska, nevis fiziska.

Viņš nav vienīgais skeptiķis. Slavenais angļu fiziķis sers Rodžers Penrouzs un ungāru zinātnieks Lajos Diosi neatkarīgi ierosināja, ka telpa laiks nevar atbalstīt superpozīcijas. Viņi uzskata, ka tā gludā, stingrā, fundamentāli klasiskā būtība neļauj tai saliekties divos iespējamos ceļos vienlaikus - un tieši šī stingrība noved pie kvantu sistēmu, piemēram, elektronu un fotonu, superpozīciju sabrukuma. “Gravitācijas dekoherence”, pēc viņu domām, ļauj izveidoties vienai, stabilai, klasiskai realitātei, ko var sajust makroskopiskā mērogā.

Šķiet, ka spēja atrast kvantu gravitācijas “smaidu” atspēko Daisona argumentu. Tas arī nogalina gravitācijas dekoherences teoriju, parādot, ka gravitācija un laiks faktiski atbalsta kvantu superpozīcijas.

Bose un Marletto priekšlikumi parādījās vienlaikus un pilnīgi nejauši, lai gan eksperti atzīmē, ka tie atspoguļo laika garu. Eksperimentālās kvantu fizikas laboratorijas visā pasaulē arvien lielākus mikroskopiskus objektus ievieto kvantu superpozīcijās un optimizē protokolus divu kvantu sistēmu sapīšanās pārbaudei. Ierosinātajā eksperimentā šīs procedūras būtu jāapvieno, vienlaikus prasot turpmākus mēroga un jutīguma uzlabojumus; varbūt paies desmit gadi. "Bet fiziska strupceļa nav," saka Pikovskis, kurš arī pēta, kā laboratorijas eksperimenti varētu zondēt gravitācijas parādības. "Es domāju, ka tas ir grūti, bet ne neiespējami."

Šis plāns ir sīkāk izklāstīts Bose et al - Ocean's Eleven Experts for Different Stages of Proposal darbā. Piemēram, savā laboratorijā Vorvikas universitātē līdzautors Gevins Morlijs strādā pie pirmā soļa, mēģinot ievietot mikrodimantu kvantu superpozīcijā divās vietās. Lai to izdarītu, viņš ierobežos slāpekļa atomu mikrodimantā blakus brīvai vietai dimanta struktūrā (tā sauktais NV centrs jeb ar slāpekli aizvietota vakance dimantā) un uzlādēs to ar mikroviļņu impulsu. Elektrons, kas rotē ap NV centru, vienlaikus absorbē gaismu un ne, un sistēma nonāk kvantu superpozīcijā divos griešanās virzienos - uz augšu un uz leju - kā virsotne, kas griežas pulksteņrādītāja virzienā ar noteiktu varbūtību un pretēji pulksteņrādītāja virzienam ar noteiktu varbūtību. Mikrodimants, kas ir ielādēts ar šo superpozīcijas griešanos, tiek pakļauts magnētiskajam laukam, kas liek augšējam griezienam pārvietoties pa kreisi un apakšējam griezienam pa labi. Pats dimants sadalās divu trajektoriju superpozīcijā.

Pilnā eksperimentā zinātnieki to visu darītu ar diviem dimantiem - piemēram, sarkanu un zilu -, kas novietoti blakus īpaši aukstā vakuumā. Kad slazds, kas tos tur, ir izslēgts, divi mikrodimanti, katrs atrodas divās pozīcijās, vakuumā nokritīs vertikāli. Dimantiem krītot, tie sajutīs katra no tiem smagumu. Cik spēcīga būs viņu gravitācijas pievilkšanās?

Ja gravitācija ir kvantu spēks, atbilde ir: tas ir atkarīgs. Katra zilā dimanta superpozīcijas sastāvdaļa piedzīvos spēcīgāku vai vājāku pievilcību sarkanajam dimantam atkarībā no tā, vai pēdējais atrodas superpozīcijas atzarā, kas atrodas tuvāk vai tālāk. Un smagums, ko jutīs katra sarkanā dimanta superpozīcijas sastāvdaļa, tāpat ir atkarīgs no zilā dimanta stāvokļa.

Katrā gadījumā dažādas gravitācijas pievilcības pakāpes iedarbojas uz dimanta superpozīcijas komponentiem, kas attīstās. Abi dimanti kļūst savstarpēji atkarīgi, jo to stāvokļus var noteikt tikai kombinācijā - ja tas to nozīmē -, tāpēc galu galā abu NV centru sistēmu griešanās virzieni korelēs.

Pēc tam, kad mikrodimanti trīs sekundes nokritīs viens otram blakus — pietiekami ilgi, lai sapīties gravitācijā —, tie izies cauri citam magnētiskajam laukam, kas savienos katras superpozīcijas zarus. Eksperimenta pēdējais solis ir dāņu fiziķes Barbaras Theral un citu izstrādātais sapīšanās liecinieka protokols: zilie un sarkanie dimanti nonāk dažādās ierīcēs, kas mēra NV centru sistēmu griešanās virzienus. (Mērīšanas rezultātā superpozīcijas sabrūk noteiktos stāvokļos.) Pēc tam abus rezultātus salīdzina. Veicot eksperimentu atkal un atkal un salīdzinot daudzus griešanās mērījumu pārus, zinātnieki var noteikt, vai divu kvantu sistēmu spini faktiski korelē biežāk nekā augšējā robeža objektiem, kas nav kvantu mehāniski sapinušies. Ja tā, gravitācija faktiski sapina dimantus un var atbalstīt superpozīcijas.

"Šajā eksperimentā interesanti ir tas, ka jums nav jāzina, kas ir kvantu teorija," saka Blenkovs. "Viss, kas nepieciešams, ir pateikt, ka šim reģionam ir kāds kvantu aspekts, ko veicina spēks starp divām daļiņām."

Ir daudz tehnisku grūtību. Lielākais objekts, kas iepriekš bija novietots superpozīcijā divās vietās, bija 800 atomu molekula. Katrs mikrodimants satur vairāk nekā 100 miljardus oglekļa atomu – pietiekami, lai uzkrātu ievērojamu gravitācijas spēku. Lai izsaiņotu tā kvantu mehānisko raksturu, būs nepieciešama zema temperatūra, dziļi vakuumi un precīza kontrole. "Ir nepieciešams daudz darba, lai sākotnējā superpozīcija tiktu izveidota un darbotos," saka Pīters Bārkers, daļa no eksperimentālās komandas, kas pilnveido lāzera dzesēšanas un mikrodimantu slazdošanas metodes. Ja to varētu izdarīt ar vienu dimantu, Bose piebilst: "otrs nebūtu problēma."

Kas ir unikāls gravitācijai?

Kvantu gravitācijas pētnieki nešaubās, ka gravitācija ir kvantu mijiedarbība, kas var izraisīt sapīšanās. Protams, gravitācija ir zināmā mērā unikāla, un vēl ir daudz ko uzzināt par telpas un laika izcelsmi, taču kvantu mehānika noteikti ir jāiesaista, saka zinātnieki. "Tiešām, kāda jēga ir teorijai, kurā lielākā daļa fizikas ir kvantu un gravitācija ir klasiska," saka Daniels Hārlovs, MIT kvantu gravitācijas pētnieks. Teorētiskie argumenti pret jauktiem kvantu klasiskajiem modeļiem ir ļoti spēcīgi (lai gan nav pārliecinoši).

No otras puses, teorētiķi jau iepriekš ir kļūdījušies. "Ja jūs varat to pārbaudīt, kāpēc ne? Ja tas apklusinātu šos cilvēkus, kuri apšauba gravitācijas kvantu raksturu, tas būtu lieliski,” saka Hārlovs.

Izlasījis dokumentus, Daisons rakstīja: "Ierosinātais eksperiments noteikti rada lielu interesi, un tas ir jāveic reālas kvantu sistēmas apstākļos." Tomēr viņš atzīmē, ka autoru domas par kvantu laukiem atšķiras no viņa. "Man nav skaidrs, vai šis eksperiments var atrisināt jautājumu par kvantu gravitācijas esamību. Mans uzdotais jautājums — vai tiek novērots viens gravitons — ir cits jautājums, un tam var būt cita atbilde.

Bose, Marletto un viņu kolēģu domas par kvantēto gravitāciju izriet no Bronšteina darba jau 1935. gadā. (Disons nosauca Bronšteina darbu par "skaistu darbu", ko viņš iepriekš nebija redzējis). Jo īpaši Bronšteins parādīja, ka vāju gravitāciju, ko rada maza masa, var tuvināt ar Ņūtona gravitācijas likumu. (Tas ir spēks, kas darbojas starp mikrodimantu superpozīcijām). Saskaņā ar Blencowe teikto, vājas kvantētās gravitācijas aprēķini nav īpaši veikti, lai gan tie noteikti ir svarīgāki nekā melno caurumu vai Lielā sprādziena fizika. Viņš cer, ka jaunais eksperimentālais priekšlikums mudinās teorētiķus meklēt smalkus Ņūtona tuvinājuma uzlabojumus, kurus varētu mēģināt pārbaudīt turpmākajos galda eksperimentos.

Leonards Saskinds, slavens kvantu gravitācijas un stīgu teorētiķis Stenfordas Universitātē, redzēja ierosinātā eksperimenta vērtību, jo "tas nodrošina gravitācijas novērojumus jaunā masu un attāluma diapazonā". Bet viņš un citi pētnieki uzsvēra, ka mikrodimanti nevar atklāt neko par pilnu kvantu gravitācijas vai telpas laika teoriju. Viņš un viņa kolēģi vēlētos saprast, kas notiek melnā cauruma centrā un Lielā sprādziena brīdī.

Iespējams, viens no iemesliem, kāpēc gravitācijas kvantēšana ir tik daudz grūtāks nekā jebkas cits, ir tas, ka citiem dabas spēkiem ir tā sauktā “lokalitāte”: kvantu daļiņas vienā lauka reģionā (piemēram, fotoni elektromagnētiskajā laukā) ir “neatkarīgi no citas fiziskas būtnes citā kosmosa reģionā," saka Marks van Raamsdonks, Britu Kolumbijas universitātes kvantu gravitācijas teorētiķis. "Bet ir daudz teorētisku pierādījumu, ka gravitācija nedarbojas šādā veidā."

Labākajos kvantu gravitācijas smilškastes modeļos (ar vienkāršotām telpas-laika ģeometrijām) nav iespējams pieņemt, ka telpas-laika auduma lente ir sadalīta neatkarīgos trīsdimensiju gabalos, saka van Raamsdonks. Tā vietā mūsdienu teorija liek domāt, ka telpas pamatā esošās, fundamentālās sastāvdaļas ir "organizētas drīzāk divdimensiju veidā". Telpas laika audums varētu būt kā hologramma vai videospēle. "Lai gan attēls ir trīsdimensiju, informācija tiek saglabāta divdimensiju datora mikroshēmā." Šajā gadījumā trīsdimensiju pasaule būtu ilūzija tādā nozīmē, ka tās dažādās daļas nav tik neatkarīgas. Videospēļu analoģijā daži biti divdimensiju mikroshēmā var iekodēt visa spēļu Visuma globālās funkcijas.

Un šī atšķirība ir svarīga, mēģinot izveidot gravitācijas kvantu teoriju. Parastā pieeja kaut kā kvantēšanai ir identificēt tās neatkarīgās daļas, piemēram, daļiņas, un pēc tam tām piemērot kvantu mehāniku. Bet, ja jūs nedefinējat pareizos komponentus, jūs nonākat pie nepareiziem vienādojumiem. Trīsdimensiju telpas tiešā kvantēšana, ko Bronšteins vēlējās veikt, zināmā mērā darbojas ar vāju gravitāciju, bet izrādās bezjēdzīga, ja telpas laiks ir ļoti izliekts.

Daži eksperti saka, ka kvantu gravitācijas “smaida” liecinieki var radīt motivāciju šāda veida abstraktiem argumentiem. Galu galā pat skaļākos teorētiskos argumentus par kvantu gravitācijas esamību neatbalsta eksperimentālie fakti. Kad van Rāmsdonks skaidro savu pētījumu zinātniskā kolokvijā, viņš saka, ka tas parasti sākas ar stāstu par to, kā gravitācija ir jāpārdomā ar kvantu mehāniku, jo klasiskais telpas laika apraksts sabojājas ar melnajiem caurumiem un Lielo sprādzienu.

"Bet, ja jūs veicat šo vienkāršo eksperimentu un parādāt, ka gravitācijas lauks atrodas superpozīcijā, klasiskā apraksta neveiksme kļūst acīmredzama. Jo būs eksperiments, kas nozīmē, ka gravitācija ir kvantu.

Balstīts uz žurnāla Quanta materiāliem

E.S.,
, Pašvaldības izglītības iestāde 16. vidusskola ar UIOP, Lysva, Permas apgabals.

Kvantu fizikas dzimšana

Atrodi visam sākumu, un tu daudz ko sapratīsi!
Kozma Prutkova

Nodarbības izglītojošais mērķis: ieviest matērijas diskrētuma jēdzienu, formulēt matērijas kvantu viļņu duālisma jēdzienu, pamatot Planka formulu un de Broglie viļņa garuma ieviešanu.

Nodarbības attīstības mērķis: attīstīt loģisko domāšanu, spēju salīdzināt un analizēt situācijas un saskatīt starpdisciplināras sakarības.

Nodarbības izglītojošais mērķis: veidot dialektiski materiālistisku domāšanu.

Fizikai kā zinātnei ir universālas cilvēciskās vērtības un milzīgs humanitārais potenciāls. Tās izpētes laikā tiek atklātas zinātniskās pamatmetodes (zinātniskais eksperiments, modelēšana, domu eksperiments, zinātniskās teorijas veidošana un struktūra). Skolēniem jādod iespēja paskatīties uz pasauli ar fiziķa acīm, lai izprastu pasaules mūžību un pastāvīgās pārmaiņas - pasauli, kurā ir tik daudz, kas ir milzīgs un nenozīmīgi mazs, ļoti ātrs un neparasti lēns. , vienkāršs un grūti saprotams - sajust cilvēka pastāvīgo vēlmi pēc zināšanām, kas sniedz visdziļāko gandarījumu, iepazīties ar dziļas “zinātnisku šaubu” pieredzes un drosmīgas kustības piemēriem pa nepazīstamu ceļu, meklējot eleganci, īsumu un skaidrību. .

es Skolotājs. Kad sākām studēt optiku, es uzdevu jautājumu: "Kas ir gaisma?" Kā jūs uz to atbildētu tagad? Mēģiniet formulēt savu domu vienā teikumā. Sāciet ar vārdiem “gaisma ir...” no F.I. Tjutčevam ir šādas rindas: "Atkal mantkārīgām acīm // Es dzeru dzīvinošu gaismu." Lūdzu, mēģiniet komentēt šīs rindiņas no fizikas viedokļa. Dzejā – no Homēra līdz mūsdienām – gaismas radītajām sajūtām vienmēr ir bijusi īpaša vieta. Visbiežāk dzejnieki gaismu uztvēra kā īpašu gaismas, mirdzošu šķidrumu.

Lai šodienas saruna par gaismu būtu pilnīga, es vēlētos nolasīt S.I. Vavilova: “Nepārtrauktajam, uzvarošajam patiesības karam, kas nekad nebeidzas ar galīgo uzvaru, tomēr ir neapstrīdams pamatojums. Ceļā uz gaismas būtības izpratni cilvēks saņēma mikroskopus, teleskopus, attāluma mērītājus, radioaparātus un rentgena starus; šis pētījums palīdzēja apgūt atoma kodola enerģiju. Meklējot patiesību, cilvēks neierobežoti paplašina savas dabas pārvaldīšanas jomas. Vai tas nav īstais zinātnes uzdevums? (izcēlums mans. – E.U.)»

II. Skolotājs. Fizikas studiju procesā mēs iepazināmies ar daudzām teorijām, piemēram, MCT, termodinamiku, Maksvela elektromagnētiskā lauka teoriju u.c. Šodien pabeidzam viļņu optikas izpēti. Mums ir jāapkopo tēmas izpēte un, iespējams, jāpieliek pēdējais punkts jautājumam: "Kas ir gaisma?" Vai jūs varētu izmantot piemērus no viļņu optikas, lai parādītu teorijas lomu dabas izpratnes procesā?

Atcerēsimies, ka teorijas nozīme ir ne tikai tajā, ka tā ļauj izskaidrot daudzas parādības, bet arī tajā, ka tā ļauj paredzēt jaunas, vēl nezināmas fizikālās parādības, ķermeņu īpašības un rakstus. Tādējādi viļņu teorija izskaidroja traucējumus, difrakcijas, polarizācijas, refrakcijas, gaismas izkliedes parādības un ļāva veikt “atklājumu pildspalvas galā” - prognozi. 1815. gadā nezināms pensionēts inženieris Augustins Fresnels Parīzes Zinātņu akadēmijai iesniedza rakstu, kurā izskaidrota difrakcijas parādība. Darba analīze tika uzticēta slaveniem zinātniekiem - fiziķim D. Arago un matemātiķim S. Puasonam. Puasons, ar aizrautību lasot šo darbu, Fresnela secinājumos atklāja klaju absurdu: ja gaismas plūsmā ievieto nelielu apaļu mērķi, tad ēnas centrā jāparādās gaišam plankumam! Kas, tavuprāt, notika tālāk? Dažas dienas vēlāk Arago eksperimentēja un atklāja, ka Fresnelam bija taisnība! Tātad 19. gadsimts ir viļņu optikas triumfa gadsimts.

Kas ir gaisma? Gaisma ir elektromagnētisks šķērsvilnis.

Pabeidzot apjomīgas fizikas sadaļas izpēti saistībā ar gaismas un elektromagnētisko viļņu dabu, ierosinu patstāvīgi izpildīt testa uzdevumu “Elektromagnētiskie viļņi” (skat. 1. pielikumu). Mēs pārbaudām izpildi frontāli.

III. Skolotājs. Un, lūk, ko 1900. gada priekšvakarā rakstīja Londonas laikraksti: “Kad Londonas ielās blāvu eļļas bļodu vietā iedegās svētku apgaismojums ar spilgtām spuldzēm, kabīnes viena pēc otras piebrauca pie senās ēkas Fleet Street. Pa platajām, spilgti apgaismotajām kāpnēm uzkāpa halātos tērpti cienījami kungi. Pēc tam Londonas Karaliskās biedrības locekļi pulcējās uz nākamo tikšanos. Garš, sirms, ar biezu bārdu, sers Viljams Tomsons (vai jūs zināt par viņa sasniegumiem fizikas jomā? - E.U.), pirms astoņiem gadiem no karalienes Viktorijas rokām piešķīra vienaudzes un lorda Kelvina titulu (vai šis vārds jums ir pazīstams? - E.U.), un tagad biedrības prezidents, sāka savu Jaungada runu. 19. gadsimta izcilais fiziķis atzīmēja pagājušā gadsimta panākumus, uzskaitīja klātesošo nopelnus...

Sanākušie apstiprinoši pamāja ar galvu. Lai būtu pieticīgi, viņi paveica labu darbu. Un seram Viljamam bija taisnība, sakot, ka grandiozā fizikas celtne ir uzcelta, ka palikuši tikai nelieli apdares darbi.

Taisnība (lords Kelvins uz brīdi pārtrauca runu), fizikas bez mākoņiem apvāršņa ir divi mazi mākoņi, divas problēmas, kurām vēl nav rasts izskaidrojums no klasiskās fizikas viedokļa... Taču šīs parādības ir īslaicīgas un īslaicīgas. Mierīgi iekārtojušies antīkos krēslos ar augstām atzveltnēm, kungi pasmaidīja. Visi zināja, par ko mēs runājam:

1) klasiskā fizika nevarēja izskaidrot Miķelsona eksperimentus, kas nenoteica Zemes kustības ietekmi uz gaismas ātrumu. Visās atskaites sistēmās (gan kustībā, gan miera stāvoklī attiecībā pret Zemi) gaismas ātrums ir vienāds - 300 000 km/s;

2) klasiskā fizika nevarēja izskaidrot eksperimentāli iegūto melnā ķermeņa starojuma grafiku.

Sers Viljams pat iedomāties nevarēja, kāds zibens drīz iespers no šiem mākoņiem! Raugoties nākotnē, es teikšu: pirmās problēmas risinājums novedīs pie klasisko priekšstatu par telpu un laiku pārskatīšanas, relativitātes teorijas izveides; otrās problēmas risinājums novedīs pie jaunas teorijas radīšanas. - kvants. Šis ir risinājums otrai problēmai, kas tiks apspriesta šodienas nodarbībā!

IV. (Studenti izdara piezīmes savās piezīmju grāmatiņās: Datums Nodarbība Nr. Stundas tēma: “Kvantu fizikas izcelsme”.) 19. un 20. gadsimta mijā. Fizikā radās problēma, kas bija steidzami jāatrisina: absolūti melna ķermeņa radiācijas grafika teorētiskais skaidrojums. Kas ir ideāls melns ķermenis? ( Studentu hipotēzes. Videoklipa “Siltuma starojums” demonstrācija .)

Skolotājs. Pierakstiet: "Pilnīgi melns ķermenis ir ķermenis, kas bez atstarošanas spēj absorbēt visu krītošo starojuma plūsmu, visus jebkura viļņa garuma (jebkuras frekvences) elektromagnētiskos viļņus."

Bet absolūti melniem ķermeņiem ir vēl viena iezīme. Atcerieties, kāpēc cilvēki ar melnu ādu dzīvo ekvatoriālajās teritorijās? “Melni ķermeņi, ja tie tiek uzkarsēti, spīdēs spožāk nekā jebkurš cits ķermenis, tas ir, tie izstaro enerģiju visos frekvenču diapazonos,” pierakstiet to piezīmju grāmatiņās.

Zinātnieki eksperimentāli noteikuši pilnīgi melna ķermeņa starojuma spektru. ( Uzzīmē grafiku.) Rν – enerģētiskā spožuma spektrālais blīvums – elektromagnētiskā starojuma enerģija, kas izstarota laika vienībā no ķermeņa virsmas laukuma vienības frekvences intervālā ν. Maksvela elektromagnētiskā lauka teorija paredzēja elektromagnētisko viļņu eksistenci, bet uz šīs teorijas pamata konstruētajai teorētiskajai melnā ķermeņa starojuma līknei bija neatbilstība eksperimentālajai līknei augstfrekvences reģionā. Pie problēmas strādāja tā laika labākie prāti: angļi lords Reilija un Dž.Džīns, vācieši P.Kirhhofs un V.Viens, Maskavas profesors V.A. Mihelsons. Nekas nedarbojās!

Piedāvājiet izeju no pašreizējās situācijas. Teorētiskā līkne atšķiras no eksperimentālās. Kā būt un ko darīt? ( Studenti izsaka hipotēzes: veiciet eksperimentus rūpīgāk - viņi izdarīja, rezultāts ir vienāds; mainīt teoriju - bet tā ir katastrofa, viss klasiskās fizikas pamats, kas tika izveidots tūkstošiem gadu, sabrūk!) Radītā situācija fizikā tika saukta ultravioletā katastrofa.

Pierakstiet: "Klasiskās fizikas metodes izrādījās nepietiekamas, lai izskaidrotu pilnīgi melna ķermeņa starojumu augstfrekvences reģionā - tā bija "ultravioletā katastrofa".

Kurš var uzminēt, kāpēc šī krīze tika nosaukta ultravioletā katastrofa, un nevis infrasarkanais vai violetais? Fizikā ir sākusies krīze! Grieķu vārds κρίση [ krīze] apzīmē sarežģītu pāreju no viena stabila stāvokļa uz citu. Problēma bija jāatrisina, un steidzami jāatrisina!

V.Skolotājs. Un tā 1900. gada 19. oktobrī Fizikas biedrības sanāksmē vācu zinātnieks M. Planks ierosināja izmantot formulu, lai aprēķinātu absolūti melna ķermeņa starojumu. E = hν. Planka draugs un kolēģis Heinrihs Rubenss visu nakti sēdēja pie rakstāmgalda, salīdzinot savus mērījumus ar Planka formulas dotajiem rezultātiem, un bija pārsteigts: viņa drauga formula aprakstīja absolūti melna ķermeņa starojuma spektru līdz mazākajai detaļai! Tātad Planka formula likvidēja "ultravioleto katastrofu", bet par kādu cenu! Pretēji iedibinātajiem uzskatiem Planks ierosināja uzskatīt, ka matērijas atomu starojuma enerģijas emisija notiek diskrēti, tas ir, porcijās, kvantos. "Kvants" ( kvant) tulkojumā no latīņu valodas vienkārši nozīmē daudzums .

Ko nozīmē “diskrēts”? Veiksim domu eksperimentu. Iedomājieties, ka jūsu rokās ir pilna burka ar ūdeni. Vai ir iespējams uzmest pusi? Kā būtu ar malku? Un vēl mazāk? Principā ir iespējams samazināt vai palielināt ūdens masu par patvaļīgi mazu daudzumu. Tagad iedomāsimies, ka mūsu rokās ir kaste ar bērnu kubiņiem, katrs sver 100 g. Vai ir iespējams samazināt, piemēram, 370 g? Nē! Jūs nevarat salauzt kubus! Tāpēc kastes masa var mainīties diskrēti, tikai porcijās, kas ir daudzkārtējas 100 g! Var nosaukt mazāko daudzumu, par kādu var mainīt kastes masu porcija, vai masas kvants.

Tādējādi nepārtraukta enerģijas plūsma no sakarsēta melna ķermeņa pārvērtās par atsevišķu porciju - enerģijas kvantu - "ložmetēja sprādzienu". Šķiet, ka nekas īpašs. Bet patiesībā tas nozīmēja visas lieliski uzbūvētās klasiskās fizikas ēkas iznīcināšanu, jo uz nepārtrauktības principa balstīto pamata pamatlikumu vietā Planks ierosināja diskrētuma principu. Pašam Plankam nepatika diskrētuma ideja. Viņš centās formulēt teoriju tā, lai tā pilnībā iekļautos klasiskās fizikas ietvaros.

Bet bija cilvēks, kurš, gluži pretēji, vēl izlēmīgāk izgāja ārpus klasisko ideju robežām. Šis cilvēks bija A. Einšteins. Lai jūs saprastu Einšteina uzskatu revolucionāro raksturu, es teikšu tikai to, ka, izmantojot Planka ideju, viņš lika pamatus lāzeru (kvantu ģeneratoru) teorijai un atomenerģijas izmantošanas principam.

Akadēmiķis S.I. Ļoti ilgu laiku Vavilovs nevarēja pierast pie domas par gaismu kā kvantu vielu, taču viņš kļuva par dedzīgu šīs hipotēzes cienītāju un pat izdomāja veidu, kā novērot kvantus. Viņš aprēķināja, ka acs spēj saskatīt apgaismojumu, ko rada 52 zaļās gaismas kvanti.

Tātad, pēc Planka domām, gaisma ir... ( studentu izteikumi).

VI. Skolotājs. Vai Planka hipotēze neatgādina jau zināmo hipotēzi par gaismas dabu? Sers Īzaks Ņūtons ierosināja uzskatīt, ka gaisma sastāv no sīkām daļiņām – asinsķermenīšiem. Jebkurš gaismas ķermenis izstaro tos visos virzienos. Viņi lido taisnās līnijās, un, ja tie ietriecas mūsu acīs, mēs redzam to avotu. Katra krāsa atbilst saviem asinsķermenīšiem, un tie, visticamāk, atšķiras ar to, ka tiem ir atšķirīga masa. Kopējā asinsķermenīšu plūsma rada baltu gaismu.

Sera Īzaka Ņūtona laikā fiziku sauca par dabas filozofiju. Kāpēc? Izlasi (skat. 2. pielikumu) vienu no dialektikas pamatlikumiem - nolieguma nolieguma likumu. Mēģiniet to attiecināt uz jautājumu par gaismas dabu. ( Studentu argumentācija.)

Tātad, saskaņā ar M. Planka hipotēzi, gaisma ir daļiņu, asinsķermenīšu, kvantu plūsma, no kurām katrai ir enerģija E = hν. Lūdzu, analizējiet šo formulu: kas ir ν? kas notika h (kāds no studentiem noteikti ieteiks, ka šī ir kaut kāda konstante, kas nosaukta Planka vārdā)? Kāda ir Planka konstantes vienība? kāda ir konstantes vērtība ( darbs ar fizisko konstantu tabulu)? Kā sauc Planka konstanti? Kāda ir Planka konstantes fiziskā nozīme?

Lai novērtētu Planka formulas skaistumu, pievērsīsimies problēmām... bioloģijai. Aicinu skolēnus atbildēt uz jautājumiem no bioloģijas nozares (3.pielikums).

Redzes mehānisms. Caur redzi mēs saņemam aptuveni 90% informācijas par pasauli. Tāpēc jautājums par redzes mehānismu vienmēr ir interesējis cilvēkus. Kāpēc cilvēka acs un pat lielākā daļa Zemes iedzīvotāju uztver tikai nelielu viļņu diapazonu no dabā esošā elektromagnētiskā starojuma spektra? Ko darīt, ja cilvēkam būtu infrasarkanā redze, piemēram, kā bedres čūskas?

Naktī mēs, tāpat kā dienā, redzētu visus organiskos ķermeņus, jo to temperatūra atšķiras no nedzīvu ķermeņu temperatūras. Bet visspēcīgākais šādu staru avots mums būtu mūsu pašu ķermenis. Ja acs ir jutīga pret infrasarkano starojumu, Saules gaisma mums vienkārši izgaist uz pašas starojuma fona. Mēs neko neredzētu, mūsu acis būtu bezjēdzīgas.

Kāpēc mūsu acis nereaģē uz infrasarkano gaismu? Aprēķināsim infrasarkanās un redzamās gaismas kvantu enerģiju, izmantojot formulu:

IR kvantu enerģija ir mazāka par redzamās gaismas kvantu enerģiju. Vairāki kvanti nevar “savienoties”, lai izraisītu darbību, kas ir ārpus viena kvanta spēka – mikropasaulē starp kvantu un daļiņu notiek savstarpēja mijiedarbība. Tikai redzamās gaismas kvants, kura enerģija ir lielāka par infrasarkano gaismu, var izraisīt reakciju rodopsīna molekulā, t.i., tīklenes stienī. Redzamā gaismas kvanta ietekmi uz tīkleni var salīdzināt ar tenisa bumbiņas triecienu, kas izkustināja... daudzstāvu ēku. (Tīklenes jutība ir tik augsta!)

Kāpēc acs nereaģē uz ultravioleto starojumu? UV starojums ir arī neredzams acij, lai gan UV kvantu enerģija ir daudz lielāka nekā redzamās gaismas kvantu enerģija. Tīklene ir jutīga pret UV stariem, bet lēca tos absorbē, pretējā gadījumā tiem būtu postoša iedarbība.

Evolūcijas procesā dzīvo organismu acis ir pielāgojušās, lai uztvertu Zemes jaudīgākā avota - Saules - starojuma enerģiju un tieši tos viļņus, kas veido Saules starojuma maksimālo enerģiju, kas krīt uz Zemi.

Fotosintēze. Zaļajos augos process, kurā visas dzīvās būtnes saņem skābekli elpošanai un barībai, neapstājas ne uz sekundi. Tā ir fotosintēze. Lapai ir zaļa krāsa, jo tās šūnās ir hlorofils. Fotosintēzes reakcijas notiek starojuma ietekmē sarkanvioletā spektra daļā, un tiek atspoguļoti viļņi ar frekvenci, kas atbilst spektra zaļajai daļai, tāpēc lapām ir zaļa krāsa.

Hlorofila molekulas ir “atbildīgas” par unikālo gaismas enerģijas pārvēršanas procesu organisko vielu enerģijā. Tas sākas ar gaismas kvanta absorbciju hlorofila molekulā. Gaismas kvantu absorbcija izraisa fotosintēzes ķīmiskās reakcijas, kas ietver daudzas vienības.

Visas dienas garumā hlorofila molekulas “ir aizņemtas” ar to, ka, saņemot kvantu, izmanto tā enerģiju, pārvēršot to elektrona potenciālajā enerģijā. To darbību var salīdzināt ar mehānisma darbību, kas paceļ bumbu pa kāpnēm. Ripojot lejā pa pakāpieniem, bumba zaudē savu enerģiju, taču tā nepazūd, bet pārvēršas fotosintēzes laikā radušos vielu iekšējā enerģijā.

Hlorofila molekulas “strādā” tikai diennakts gaišajā laikā, kad uz tām nonāk redzamā gaisma. Naktīs viņi “atpūšas”, neskatoties uz to, ka elektromagnētiskā starojuma netrūkst: zeme un augi izstaro infrasarkano gaismu, bet kvantu enerģija šajā diapazonā ir mazāka par fotosintēzei nepieciešamo. Evolūcijas procesā augi ir pielāgojušies, lai uzkrātu Zemes jaudīgākā enerģijas avota – Saules – enerģiju.

Iedzimtība.(Studenti atbild uz 1.-3.jautājumu no 3.pielikuma kartes “Iedzimtība”). Organismu iedzimtās īpašības ir iekodētas DNS molekulās un tiek pārnestas no paaudzes paaudzē matricas veidā. Kā izraisīt mutāciju? Kāda starojuma ietekmē notiek mutācijas process?

Lai izraisītu vienu mutāciju, DNS molekulai ir jāpiešķir enerģija, kas ir pietiekama, lai mainītu kādas DNS gēna daļas struktūru. Ir zināms, ka γ-kvanti un rentgenstari, kā izteicās biologi, ļoti mutagēns– to kvantos ir pietiekama enerģija, lai mainītu DNS daļas struktūru. IR starojums un acīmredzot nevar veikt šādu darbību; to frekvence un līdz ar to arī enerģija ir pārāk zema. Tagad, ja elektromagnētiskā lauka enerģija tiktu absorbēta nevis pa daļām, bet nepārtraukti, tad šie starojumi spētu ietekmēt DNS, jo attiecībā pret savām reproduktīvajām šūnām organisms pats ir tuvākais un spēcīgākais, pastāvīgi strādājošais avots. starojums.

Līdz 30. gadu sākumam. XX gadsimts Pateicoties kvantu mehānikas panākumiem, fiziķiem bija tāda spēka sajūta, ka viņi pievērsās pašai dzīvei. Ģenētikā bija daudz līdzību. Biologi ir atklājuši diskrētu nedalāmu daļiņu - gēnu -, kas var pārvietoties no viena stāvokļa uz otru. Gēnu konfigurācijas izmaiņas ir saistītas ar izmaiņām hromosomās, kas izraisa mutācijas, un to izrādījās iespējams izskaidrot, pamatojoties uz kvantu jēdzieniem. Viens no molekulārās bioloģijas pamatlicējiem, kurš saņēma Nobela prēmiju par pētījumiem baktēriju un bakteriofāgu mutāciju procesu jomā, bija vācu teorētiskais fiziķis M. Delbriks. 1944. gadā tika izdota fiziķa E. Šrēdingera īsa grāmata “Kas ir dzīve?”. Tas sniedza skaidru un kodolīgu ģenētikas pamatu izklāstu un atklāja saikni starp ģenētiku un kvantu mehāniku. Grāmata deva impulsu fiziķu uzbrukumam gēnam. Pateicoties amerikāņu fiziķu J. Vatsona, F. Krika un M. Vilkinsa darbam, biologi uzzināja, kā tiek “strukturēta” visvienkāršākā “dzīvā” molekula – DNS. Rentgenstaru difrakcijas analīze ļāva to redzēt.

VII. Skolotājs. Es atgriežos pie jautājuma: kas ir gaisma? ( Studentu atbildes.) Izrādās, ka fizika atgriezās pie Ņūtona gaismas daļiņas - korpusa -, noraidot domu par gaismu kā vilni? Nē! Nav iespējams izsvītrot visu gaismas viļņu teorijas mantojumu! Galu galā difrakcija, traucējumi un daudzas citas parādības jau sen ir zināmas, kas eksperimentāli apstiprina, ka gaisma ir vilnis. Ko man darīt? ( Studentu hipotēzes.)

Atliek tikai viena lieta: kaut kā apvienot viļņus ar daļiņām. Atzīstiet, ka ir viens parādību aplis, kurā gaismai piemīt viļņu īpašības, un ir vēl viens aplis, kurā gaismas korpuskulārā būtība ir pirmajā vietā. Citiem vārdiem sakot – pierakstiet! – gaismai ir kvantu viļņu dualitāte! Tā ir gaismas duālā daba. Fiziķiem bija ļoti grūti apvienot divas līdz šim nesavienojamas idejas vienā. Daļiņa ir kaut kas ciets, nemainīgs, ar noteiktu izmēru, ierobežots telpā. Vilnis ir kaut kas šķidrs, nestabils, bez skaidrām robežām. Vairāk vai mazāk skaidri šīs idejas tika savienotas, izmantojot viļņu paketes jēdzienu. Tas ir kaut kas līdzīgs vilnim, kas “nogriezts” abos galos, vai drīzāk viļņu ķekars, kas ceļo cauri telpai kā vienots veselums. Trombs var sarukt vai izstiepties atkarībā no vides, kurā tas nonāk. Tas atgādina lidojošu pavasari.

Kādas viļņu paketes īpašības mainās, gaismai pārejot no vienas vides uz otru? ( Studentu atbildes.)

1927. gadā amerikāņu fiziķis Lūiss ierosināja nosaukt šo viļņu paketi fotons(no grieķu φωτóς [phos, fotogrāfijas] – ) . Kas ir fotons? ( Studenti strādā ar mācību grāmatu un izdara secinājumus.)

Secinājumi. Fotons ir: elektromagnētiskā starojuma kvants; bezmasas daļiņa; fotons miera stāvoklī neeksistē; daļiņa, kas pārvietojas vakuumā ar gaismas ātrumu c= 3 10 8 m/s ir vienots veselums un nedalāms, fotona daļējas daļas esamība nav iespējama; daļiņa ar enerģiju E = hν, kur h= 6,63 · 10 -34 J · s; ν ir gaismas frekvence; daļiņa ar impulsu ir elektriski neitrāla daļiņa.

Pasaule ir strukturēta tā, ka gaisma mums visbiežāk parāda viļņveida dabu, līdz mēs aplūkojam tās mijiedarbību ar matēriju. Un matērija parādās mūsu priekšā korpuskulārā formā, līdz mēs sākam apsvērt starpatomisko saišu raksturu, pārneses procesus, elektrisko pretestību utt. Bet neatkarīgi no mūsu atrašanās vietas katrā brīdī, mikrodaļiņai ir abas īpašības.

Kvantu teorijas un jo īpaši gaismas kvantu teorijas izveides process ir dziļi dialektisks. Vecās, klasiskās mehānikas un optikas idejas un attēli, kas bagātināti ar jaunām idejām, radoši pielietoti fiziskajai realitātei, galu galā radīja fundamentāli jaunu fizikālo teoriju.

Vingrinājums: Izlasiet filozofisko likumu par vienotību un pretstatu cīņu un izdariet secinājumus par divām gaismas teorijām: gaismas viļņu un kvantu teorijām.

VIII. Skolotājs. 1924. gadā franču fiziķis Luijs de Brogli (bijušais militārais radiotelegrāfists) izteica pilnīgi paradoksālas, pat tā laika drosmīgajiem fiziķiem, domas par atomu daļiņu kustības būtību. De Broglie ierosināja, ka elektronu un citu daļiņu īpašības principā neatšķiras no kvantu īpašībām! No tā izrietēja, ka arī elektroniem un citām daļiņām vajadzētu izrādīt viļņu īpašības, ka, piemēram, ir jāievēro elektronu difrakcija. Un patiešām eksperimentos atklājās, ka 1927. gadā neatkarīgi viens no otra veica amerikāņu fiziķi K.-J. Deivisons un L. Germers, padomju fiziķis P.S. Tartakovskis un angļu fiziķis J.-P. Tomsons. De Broglie viļņa garumu aprēķina, izmantojot formulu:

Atrisināsim uzdevumus de Broglie viļņa garuma aprēķināšanai (4. pielikums).

Kā liecina aprēķini, valences elektrons pārvietojas atomā ar ātrumu 0,01 Ar, izkliedējas uz jonu kristāla režģa kā vilnis ar viļņa garumu ~10 -10 m, un lodes viļņa garums, kas lido ar ātrumu aptuveni 500 m/s ir aptuveni 10 -34 m. Tik mazu viļņa garumu nevar reģistrēt jebkādā veidā, un tāpēc lode uzvedas kā īsta daļiņa.

Cīņa starp matērijas diskrētuma un nepārtrauktības idejām, kas norisinājās jau no pašiem zinātnes pirmsākumiem, beidzās ar abu ideju saplūšanu idejā par elementārdaļiņu dubultajām īpašībām. Elektronu viļņu īpašību izmantošana ir ļāvusi ievērojami palielināt mikroskopu izšķirtspēju. Elektrona viļņa garums ir atkarīgs no ātruma un līdz ar to no sprieguma, kas paātrina elektronus (skat. 5. uzdevumu 4. pielikumā). Lielākajā daļā elektronu mikroskopu de Broglie viļņa garums ir simtiem reižu mazāks par gaismas viļņa garumu. Kļuva iespējams redzēt pat mazākus objektus, līdz pat atsevišķām molekulām.

Radās viļņu mehānika, kas ir lielās kvantu fizikas ēkas pamats. De Broglie ielika pamatus gaismas traucējumu un difrakcijas teorijai, deva jaunu Planka formulas atvasinājumu un izveidoja dziļu atbilstību starp daļiņu kustību un ar tām saistītajiem viļņiem.

Studējot jebkuru teoriju, mēs vienmēr ievērojām šīs teorijas pielietojamības robežas. Kvantu teorijas pielietojamības robežas vēl nav noteiktas, taču tās likumi būtu jāpiemēro, lai aprakstītu mikrodaļiņu kustību mazos kosmosa apgabalos un augstās elektromagnētisko viļņu frekvencēs, kad mērinstrumenti dod iespēju reģistrēt atsevišķus kvantus (enerģiju). ~10 -16 J). Tādējādi, lai aprakstītu vielas un rentgena starojuma mijiedarbību, kuras kvantu enerģija ir divas kārtas lielāka par iepriekš noteikto robežu, ir jāpiemēro kvantu fizikas likumi un jāapraksta radioviļņi, klasiskās elektrodinamikas likumi ir pilnīgi pietiekami. Jāatceras, ka galvenais kvantu teorijas “izmēģinājumu poligons” ir atoma un atoma kodola fizika.

Noslēdzot šodienas stundu, es vēlreiz uzdodu jums jautājumu: kas ir gaisma? ( Studentu atbildes.)

Literatūra

Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fizika. 11. klase: izglītojoša. vispārējās izglītības iestādēm: pamata un profesionālā. līmeņi. M.: Izglītība, 2009.
Video enciklopēdija sabiedrības izglītošanai. Lennauchfilm. Video studija "Kvart". [Elektroniskais resurss] Kasete Nr.2 “Siltuma starojums”.
Tomilins A.N. Izcelsmes meklējumos: zinātniski-pop. izdevums. L.: Det. literatūra, 1990.
Kvantu mehānika. Kvantu elektrodinamika // Encikls. sl. jaunais fiziķis / Sast. V.A. Čujanovs. M.: Pedagoģija, 1984.g.
Koltuns M. Fizikas pasaule. M.: Det. literatūra, 1984.
Solopovs E.F. Filozofija: mācību grāmata. palīdzība studentiem augstāks mācību grāmata iestādes. M.: Vlados, 2003.
Iļčenko V.R. Fizikas, ķīmijas, bioloģijas krustceles: grāmata. studentiem. M.: Izglītība, 1986. gads.
Katz Ts.B. Biofizika fizikas stundās: grāmata. skolotājam. M.: Izglītība, 1988. gads.

Jeļena Stepanovna Uvitskaja– augstākās kvalifikācijas kategorijas fizikas skolotāja, absolvējusi Tulas Valsts pedagoģisko institūtu. L.N. Tolstojs 1977. gadā un tika norīkots uz Urāliem, mazo industriālo pilsētu Lysvu, kur viņa joprojām strādā. Krievijas Federācijas vispārējās izglītības goda darbinieks, Viskrievijas fizikas un matemātikas skolotāju konkursa uzvarētājs (Dinastijas fonds). Absolventi jau daudzus gadus sekmīgi nokārto vienoto valsts eksāmenu un iestājas Maskavas, Sanktpēterburgas, Jekaterinburgas un Permas augstskolās. Reiz, izlasot par Smaragda planšetdatoru, mani pārsteidza leģendārā Hermesa idejas pašreizējā aktualitāte: katra lieta, objekts, process mūsu Visumā ir viens otram un vienam veselumam. Kopš tā laika viņš lielu uzmanību pievērš starpdisciplināriem sakariem un analoģijām: fizika un bioloģija, fizika un matemātika, fizika un literatūra, tagad arī fizika un angļu valoda. Viņš nodarbojas ar zinātnisko darbu ar skolēniem, īpaši pamatskolā: kur dzīvo elektrība? Kāpēc parasts ūdens ir tik neparasts? Kāda tā ir, noslēpumainā zvaigžņu pasaule? Ģimenē aug divi dēli, abi absolvējuši Permas Valsts tehnisko universitāti. Juniors ir inženieris, vecākais ir karatē skolotājs, ir melnā josta, otrais dans, vairākkārtējs Krievijas čempions, Pasaules čempionāta dalībnieks Japānā. Skolotājas panākumi nebūtu bijuši bez vīra, elektroinženiera palīdzības, apmācot: izstrādājot un veicot eksperimentus, radot jaunas ierīces un vienkārši atbalstu un padomus, kas palīdz dažādās dzīves situācijās.

Visi pieteikumi ir doti . – Ed.

Maksvela teorijas lomu vislabāk izteica slavenais fiziķis Roberts Feinmans: “Cilvēces vēsturē (ja skatāmies, teiksim, pēc 10 000 gadiem) nozīmīgākais 19. gadsimta notikums neapšaubāmi būs Maksvela atklājums elektrodinamikas likumi. Uz šī svarīgā zinātniskā atklājuma fona Amerikas pilsoņu karš tajā pašā desmitgadē izskatīsies kā neliels provinces incidents.

Planks ilgi šaubījās, vai izvēlēties humanitārās zinātnes vai fiziku. Visi Planka darbi izceļas ar grāciju un skaistumu. A. Einšteins par tiem rakstīja: "Studējot viņa darbus, rodas iespaids, ka prasība pēc mākslinieciskuma ir viens no galvenajiem viņa radošuma avotiem."

Kvantu teorijas rašanās un attīstība izraisīja izmaiņas klasiskajos priekšstatos par matērijas struktūru, kustību, cēloņsakarībām, telpu, laiku, izziņas būtību utt., kas veicināja pasaules attēla radikālu pārveidi. Materiālas daļiņas klasisko izpratni raksturoja tās asā atdalīšana no vides, sava kustība un atrašanās vieta telpā. Kvantu teorijā daļiņu sāka attēlot kā funkcionālu sistēmas daļu, kurā tā ir iekļauta, un tai nav gan koordinātas, gan impulsa. Klasiskajā teorijā kustība tika uzskatīta par daļiņas pārnešanu pa noteiktu trajektoriju, kas paliek identiska pati sev. Daļiņu kustības divējāda rakstura dēļ bija jāatsakās no šāda kustības attēlojuma. Klasiskais (dinamiskais) determinisms padevās varbūtības (statistiskajam) determinismam. Ja iepriekš veselums tika saprasts kā to veidojošo daļu summa, tad kvantu teorija atklāja daļiņas īpašību atkarību no sistēmas, kurā tā ir iekļauta. Klasiskā izziņas procesa izpratne bija saistīta ar materiāla objekta zināšanām kā par sevi pastāvošu. Kvantu teorija parādīja zināšanu par objektu atkarību no izpētes procedūrām. Ja klasiskā teorija pretendēja uz pilnīgu, tad kvantu teorija jau no paša sākuma izvērsās kā nepilnīga, balstoties uz vairākām hipotēzēm, kuru jēga sākumā nebija skaidra, un tāpēc tās galvenie noteikumi saņēma dažādas interpretācijas, dažādas interpretācijas. .
Domstarpības radās galvenokārt par mikrodaļiņu dualitātes fizisko nozīmi. De Broglie vispirms izvirzīja pilotviļņa koncepciju, saskaņā ar kuru vilnis un daļiņa pastāv līdzās, vilnis vada daļiņu. Reāls materiāla veidojums, kas saglabā savu stabilitāti, ir daļiņa, jo tai ir enerģija un impulss. Vilnis, kas nes daļiņu, kontrolē daļiņas kustības raksturu. Viļņa amplitūda katrā telpas punktā nosaka daļiņas lokalizācijas varbūtību šī punkta tuvumā. Šrēdingers būtībā atrisina daļiņu dualitātes problēmu, to novēršot. Viņam daļiņa darbojas kā tīri viļņu veidojums. Citiem vārdiem sakot, daļiņa ir tā viļņa atrašanās vieta, kurā ir koncentrēta lielākā viļņa enerģija. De Brolija un Šrēdingera interpretācijas būtībā bija mēģinājumi radīt vizuālus modeļus klasiskās fizikas garā. Tomēr tas izrādījās neiespējami.
Heisenbergs ierosināja kvantu teorijas interpretāciju, kas balstīta (kā parādīts iepriekš), uz faktu, ka fizikā jāizmanto tikai uz mērījumiem balstīti jēdzieni un lielumi. Tāpēc Heizenbergs atteicās no elektrona kustības vizuālā attēlojuma atomā. Makroierīces nevar aprakstīt daļiņas kustību, vienlaikus fiksējot impulsu un koordinātas (t.i., klasiskajā izpratnē), jo ierīces mijiedarbība ar daļiņu ir fundamentāli nepilnīga vadāmība - nenoteiktības attiecības dēļ impulsa mērīšana to nepadara. iespējams noteikt koordinātas un otrādi. Citiem vārdiem sakot, mērījumu fundamentālās neprecizitātes dēļ teorijas prognozēm var būt tikai varbūtības raksturs, un varbūtība ir informācijas par daļiņas kustību fundamentālas nepilnības sekas. Šis apstāklis lika secināt par cēloņsakarības principa sabrukumu klasiskajā izpratnē, kas paredzēja precīzu impulsa un koordinātu vērtību prognozēšanu. Tāpēc kvantu teorijas ietvaros runa nav par kļūdām novērojumā vai eksperimentā, bet gan par fundamentālu zināšanu trūkumu, kas tiek izteikts, izmantojot varbūtības funkciju.
Heizenberga kvantu teorijas interpretāciju izstrādāja Bors, un tā kļuva pazīstama kā Kopenhāgenas interpretācija. Šīs interpretācijas ietvaros kvantu teorijas galvenā pozīcija ir komplementaritātes princips, kas nozīmē prasību izmantot savstarpēji izslēdzošas jēdzienu, instrumentu un pētniecības procedūru klases, kuras tiek izmantotas savos konkrētajos apstākļos un papildina viena otru, lai iegūtu. holistisks priekšstats par pētāmo objektu izziņas procesā. Šis princips atgādina Heizenberga nenoteiktības attiecību. Ja mēs runājam par impulsa un koordinātu kā viens otru izslēdzošu un papildinošu pētījumu procedūru definēšanu, tad ir pamats šos principus identificēt. Tomēr komplementaritātes principa nozīme ir plašāka nekā nenoteiktības attiecības. Lai izskaidrotu atoma stabilitāti, Bors vienā modelī apvienoja klasisko un kvantu elektronu kustības jēdzienu. Līdz ar to komplementaritātes princips ļāva klasiskās idejas papildināt ar kvantu idejām. Identificējis gaismas viļņu un korpuskulāro īpašību pretnostatījumu un neatradis to vienotību, Bors sliecās domāt par divām apraksta metodēm, kas ir līdzvērtīgas viena otrai - viļņu un korpuskulāro - ar to turpmāko kombināciju. Tātad precīzāk ir teikt, ka komplementaritātes princips ir nenoteiktības attiecības attīstība, kas izsaka attiecības starp koordinātu un impulsu.
Vairāki zinātnieki ir interpretējuši klasiskā determinisma principa pārkāpumu kvantu teorijas ietvaros par labu indeternismam. Patiesībā šeit determinisma princips mainīja savu formu. Klasiskās fizikas ietvaros, ja sākotnējā laika momentā ir zināmas sistēmas elementu pozīcijas un kustības stāvoklis, ir iespējams pilnībā paredzēt tās stāvokli jebkurā turpmākajā laika momentā. Uz visām makroskopiskajām sistēmām attiecās šis princips. Pat gadījumos, kad bija nepieciešams ieviest varbūtības, vienmēr tika pieņemts, ka visi elementārie procesi ir stingri deterministiski un tikai to lielais skaits un nesakārtotā uzvedība lika pievērsties statistikas metodēm. Kvantu teorijā situācija ir būtiski atšķirīga. Lai īstenotu deterternizācijas principus, ir jāzina koordinātas un momenti, un to aizliedz nenoteiktības sakarība. Varbūtības lietojumam šeit ir cita nozīme, salīdzinot ar statistisko mehāniku: ja statistiskajā mehānikā liela mēroga parādību aprakstīšanai izmantoja varbūtības, tad kvantu teorijā varbūtības, gluži pretēji, tiek ieviestas, lai aprakstītu pašus elementāros procesus. Tas viss nozīmē, ka liela mēroga ķermeņu pasaulē darbojas dinamiskais cēloņsakarības princips, bet mikropasaulē - varbūtības cēloņsakarības princips.
Kopenhāgenas interpretācija paredz, no vienas puses, eksperimentu aprakstu klasiskās fizikas izteiksmē un, no otras puses, šo jēdzienu atzīšanu par neatbilstošiem faktiskajam lietu stāvoklim. Tieši šī nekonsekvence nosaka kvantu teorijas varbūtību. Klasiskās fizikas jēdzieni veido nozīmīgu dabiskās valodas daļu. Ja mēs neizmantosim šos jēdzienus, lai aprakstītu eksperimentus, kurus mēs veicam, tad mēs nevarēsim saprast viens otru.
Klasiskās fizikas ideāls ir pilnīga zināšanu objektivitāte. Bet izziņā mēs izmantojam instrumentus, un līdz ar to, kā saka Heinserbergs, atomu procesu aprakstā tiek ieviests subjektīvs elements, jo instrumentu ir radījis novērotājs. "Jāatceras, ka tas, ko mēs novērojam, nav pati daba, bet gan daba, kas parādās mūsu jautājumu uzdošanas veidā. Zinātniskais darbs fizikā ir uzdot valodai jautājumus par dabu un mēģināt iegūt atbildi eksperimentā. tiek veikta ar mūsu rīcībā esošo līdzekļu palīdzību. Šajā gadījumā mēs atceramies Bora vārdus par kvantu teoriju: ja mēs meklējam harmoniju dzīvē, mēs nekad nedrīkstam aizmirst, ka dzīves spēlē mēs esam pie Vienlaicīgi skatītāji un dalībnieki. Skaidrs, ka mūsu zinātniskajās attiecībās ar dabu svarīga kļūst mūsu pašu darbība, kur nākas saskarties ar dabas teritorijām, kurās var iekļūt, tikai pateicoties svarīgākajiem tehniskajiem līdzekļiem."
Izrādījās arī neiespējami izmantot klasiskos telpas un laika jēdzienus, lai aprakstītu atomu parādības. Lūk, ko par to rakstīja cits kvantu teorijas veidotājs: “darbības kvanta esamība atklāja pilnīgi negaidītu saikni starp ģeometriju un dinamiku: izrādās, ka iespēja lokalizēt fiziskos procesus ģeometriskajā telpā ir atkarīga no to dinamiskā stāvokļa. vispārējā relativitātes teorija jau ir iemācījusi ņemt vērā telpas laika lokālās īpašības atkarībā no matērijas izplatības Visumā, tomēr kvantu pastāvēšana prasa daudz dziļāku transformāciju un vairs neļauj attēlot fiziskas kustības kustību. objekts pa noteiktu līniju laiktelpā (pasaules līnija). Vairs nav iespējams noteikt kustības stāvokli, pamatojoties uz līkni, kas attēlo secīgas objekta pozīcijas telpā laika gaitā. Tagad mums jāņem vērā dinamiskais stāvoklis, nevis kā telpiskās un laika lokalizācijas sekas, bet gan kā neatkarīgs un papildu fiziskās realitātes aspekts.
Diskusijās par kvantu teorijas interpretācijas problēmu atklājās jautājums par pašu kvantu teorijas statusu – vai tā ir pilnīga mikrodaļiņu kustības teorija. Pirmo reizi jautājumu šādā veidā formulēja Einšteins. Viņa nostāja tika izteikta slēpto parametru koncepcijā. Einšteins balstījās uz izpratni par kvantu teoriju kā statistikas teoriju, kas apraksta modeļus, kas attiecas nevis uz atsevišķas daļiņas, bet gan uz to kopuma uzvedību. Katra daļiņa vienmēr ir stingri lokalizēta, un tai vienlaikus ir noteiktas impulsa un koordinātu vērtības. Nenoteiktības attiecības atspoguļo nevis reālo realitātes struktūru mikroprocesu līmenī, bet gan kvantu teorijas nepabeigtību - vienkārši tās līmenī mums nav iespējas vienlaicīgi izmērīt impulsu un koordinēt, lai gan tie faktiski pastāv, bet kā slēptie parametri (slēpti kvantu teorijas ietvaros). Einšteins uzskatīja, ka daļiņas stāvokļa apraksts, izmantojot viļņu funkciju, ir nepilnīgs, un tāpēc kvantu teoriju iesniedza nepilnīgas mikrodaļiņas kustības teorijas veidā.
Bors šajā diskusijā ieņēma pretēju nostāju, pamatojoties uz mikrodaļiņu dinamisko parametru objektīvās nenoteiktības atzīšanu par kvantu teorijas statistiskā rakstura iemeslu. Pēc viņa domām, Einšteina noliegums par objektīvi nenoteiktu daudzumu esamību atstāj neizskaidrojamas mikrodaļiņai raksturīgās viļņu iezīmes. Bors uzskatīja, ka atgriešanās pie klasiskajām mikrodaļiņu kustības koncepcijām ir neiespējama.
50. gados 20. gadsimtā D. Boms atgriezās pie de Broglie pilotviļņa koncepcijas, psi vilni pasniedzot kā reālu lauku, kas saistīts ar daļiņu. Kopenhāgenas kvantu teorijas interpretācijas piekritēji un pat daži tās pretinieki neatbalstīja Boma nostāju, taču tā veicināja de Brolija koncepcijas padziļinātu izstrādi: daļiņu sāka uzskatīt par īpašu veidojumu, kas rodas un pārvietojas psi lauku, bet saglabā savu individualitāti. Šo koncepciju izstrādājušo P. Vīžjē un L. Janosi darbus daudzi fiziķi novērtēja kā pārāk “klasiskus”.
Padomju perioda pašmāju filozofiskajā literatūrā Kopenhāgenas kvantu teorijas interpretācija tika kritizēta par tās “apņemšanos ievērot pozitīvisma attieksmi” izziņas procesa interpretācijā. Tomēr vairāki autori aizstāvēja Kopenhāgenas kvantu teorijas interpretācijas pamatotību. Zinātnisko zināšanu klasiskā ideāla aizstāšanu ar neklasisku pavadīja izpratne, ka novērotājs, cenšoties konstruēt objekta attēlu, nevar tikt novērsts no mērīšanas procedūras, t.i. pētnieks nevar izmērīt pētāmā objekta parametrus, kādi tie bija pirms mērīšanas procedūras. V. Heizenbergs, E. Šrēdingers un P. Diraks kā kvantu teorijas pamatu lika nenoteiktības principu, kura ietvaros daļiņām vairs nebija noteikta un neatkarīga impulsa un koordinātu. Tādējādi kvantu teorija zinātnē ieviesa neparedzamības un nejaušības elementu. Un, lai gan Einšteins tam nevarēja piekrist, kvantu mehānika atbilda eksperimentam un tāpēc kļuva par daudzu zināšanu jomu pamatu.

Šis plāns ir sīkāk izklāstīts Bose et al - Ocean vienpadsmit ekspertu darbā par dažādiem priekšlikuma posmiem. Piemēram, savā laboratorijā Vorvikas universitātē līdzautors Gevins Morlijs strādā pie pirmā soļa, mēģinot ievietot mikrodimantu kvantu superpozīcijā divās vietās. Lai to izdarītu, viņš ierobežos slāpekļa atomu mikrodimantā blakus brīvai vietai dimanta struktūrā (tā sauktais NV centrs jeb ar slāpekli aizvietota vakance dimantā) un uzlādēs to ar mikroviļņu impulsu. Elektrons, kas rotē ap NV centru, vienlaikus absorbē gaismu un ne, un sistēma nonāk kvantu superpozīcijā divos griešanās virzienos - uz augšu un uz leju - kā virsotne, kas griežas pulksteņrādītāja virzienā ar noteiktu varbūtību un pretēji pulksteņrādītāja virzienam ar noteiktu varbūtību. Mikrodimants, kas ir ielādēts ar šo superpozīcijas griešanos, tiek pakļauts magnētiskajam laukam, kas liek augšējam griezienam pārvietoties pa kreisi un apakšējam griezienam pa labi. Pats dimants sadalās divu trajektoriju superpozīcijā.

Katrā gadījumā dažādas gravitācijas pievilcības pakāpes iedarbojas uz dimanta superpozīcijas komponentiem, kas attīstās. Abi dimanti kļūst savstarpēji atkarīgi, jo to stāvokļus var noteikt tikai kombinācijā - ja tas to nozīmē - tāpēc galu galā abu NV centru sistēmu griešanās virzieni korelēs.

Pēc tam, kad mikrodimanti trīs sekundes nokritīs blakus viens otram – pietiekami ilgi, lai sapīties gravitācijas ietekmē –, tie izies cauri citam magnētiskajam laukam, kas atkal izlīdzinās katras superpozīcijas zarus. Eksperimenta pēdējais solis ir dāņu fiziķes Barbaras Theral un citu izstrādātais sapīšanās liecinieka protokols: zilie un sarkanie dimanti nonāk dažādās ierīcēs, kas mēra NV centru sistēmu griešanās virzienus. (Mērīšanas rezultātā superpozīcijas sabrūk noteiktos stāvokļos.) Pēc tam abus rezultātus salīdzina. Veicot eksperimentu atkal un atkal un salīdzinot daudzus griešanās mērījumu pārus, zinātnieki var noteikt, vai divu kvantu sistēmu spini faktiski korelē biežāk nekā augšējā robeža objektiem, kas nav kvantu mehāniski sapinušies. Ja tā, gravitācija faktiski sapina dimantus un var atbalstīt superpozīcijas.

"Šajā eksperimentā interesanti ir tas, ka jums nav jāzina, kas ir kvantu teorija," saka Blenkovs. "Viss, kas nepieciešams, ir pateikt, ka šim reģionam ir kāds kvantu aspekts, ko veicina spēks starp divām daļiņām."

Kas ir unikāls gravitācijai?

Kvantu gravitācijas pētnieki nešaubās, ka gravitācija ir kvantu spēks, kas var izraisīt sapīšanos. Protams, gravitācija ir zināmā mērā unikāla, un vēl ir daudz ko uzzināt par telpas un laika izcelsmi, taču kvantu mehānika noteikti ir jāiesaista, saka zinātnieki. "Tiešām, kāda jēga ir teorijai, kurā lielākā daļa fizikas ir kvantu un gravitācija ir klasiska," saka Daniels Hārlovs, MIT kvantu gravitācijas pētnieks. Teorētiskie argumenti pret jauktiem kvantu klasiskajiem modeļiem ir ļoti spēcīgi (lai gan nav pārliecinoši).

Izlasījis dokumentus, Daisons rakstīja: "Ierosinātais eksperiments noteikti rada lielu interesi, un tas ir jāveic reālas kvantu sistēmas apstākļos." Tomēr viņš atzīmē, ka autoru domas par kvantu laukiem atšķiras no viņa. "Man nav skaidrs, vai šis eksperiments var atrisināt jautājumu par kvantu gravitācijas esamību. Jautājums, ko es uzdevu - vai tiek novērots atsevišķs gravitons - ir cits jautājums, un tam var būt cita atbilde."

Un šī atšķirība ir svarīga, mēģinot izveidot gravitācijas kvantu teoriju. Parastā pieeja kaut kā kvantēšanai ir identificēt tās neatkarīgās daļas - piemēram, daļiņas - un pēc tam piemērot tām kvantu mehāniku. Bet, ja jūs nedefinējat pareizos komponentus, jūs nonākat pie nepareiziem vienādojumiem. Trīsdimensiju telpas tiešā kvantēšana, ko Bronšteins vēlējās veikt, zināmā mērā darbojas ar vāju gravitāciju, bet izrādās bezjēdzīga, ja telpas laiks ir ļoti izliekts.

"Bet, ja jūs veicat šo vienkāršo eksperimentu un parādāt, ka gravitācijas lauks atrodas superpozīcijā, klasiskā apraksta neveiksme kļūst acīmredzama. Jo būs eksperiments, kas nozīmē, ka gravitācija ir kvantu.

Balstīts uz žurnāla Quanta materiāliem