Lindja e teorisë kuantike. Efekt foto

Askush në botë nuk e kupton mekanikën kuantike - kjo është gjëja kryesore që duhet të dini për të. Po, shumë fizikanë kanë mësuar të përdorin ligjet e tij dhe madje të parashikojnë fenomene duke përdorur llogaritjet kuantike. Por ende nuk është e qartë pse prania e një vëzhguesi përcakton fatin e sistemit dhe e detyron atë të bëjë një zgjedhje në favor të një shteti. "Teoritë dhe praktikat" zgjodhën shembuj të eksperimenteve, rezultati i të cilave ndikohet në mënyrë të pashmangshme nga vëzhguesi dhe u përpoq të kuptonte se çfarë do të bëjë mekanika kuantike me një ndërhyrje të tillë të vetëdijes në realitetin material.

Macja e Shroedinger-it

Sot ka shumë interpretime të mekanikës kuantike, më e popullarizuara prej të cilave mbetet ajo e Kopenhagës. Parimet e tij kryesore u formuluan në vitet 1920 nga Niels Bohr dhe Werner Heisenberg. Dhe termi qendror i interpretimit të Kopenhagës ishte funksioni i valës - një funksion matematik që përmban informacion për të gjitha gjendjet e mundshme të një sistemi kuantik në të cilin ai banon njëkohësisht.

Sipas interpretimit të Kopenhagës, vetëm vëzhgimi mund të përcaktojë me besueshmëri gjendjen e një sistemi dhe ta dallojë atë nga pjesa tjetër (funksioni i valës ndihmon vetëm në llogaritjen matematikore të probabilitetit të zbulimit të një sistemi në një gjendje të caktuar). Mund të themi se pas vëzhgimit, një sistem kuantik bëhet klasik: ai menjëherë pushon së bashkëjetuari në shumë gjendje njëherësh në favor të njërit prej tyre.

Kjo qasje ka pasur gjithmonë kundërshtarët e saj (mos harroni, për shembull, "Zoti nuk luan zare" nga Albert Ajnshtajni), por saktësia e llogaritjeve dhe parashikimeve ka bërë të vetën. Megjithatë, kohët e fundit ka pasur gjithnjë e më pak mbështetës të interpretimit të Kopenhagës, dhe arsyeja më e vogël për këtë është kolapsi shumë misterioz i menjëhershëm i funksionit të valës gjatë matjes. Eksperimenti i famshëm i mendimit i Erwin Schrödinger me macen e varfër kishte për qëllim pikërisht të tregonte absurditetin e këtij fenomeni.

Pra, le të kujtojmë përmbajtjen e eksperimentit. Në një kuti të zezë vendosen një mace e gjallë, një ampulë me helm dhe një mekanizëm i caktuar që mund të vërë në veprim helmin. Për shembull, një atom radioaktiv, prishja e të cilit do të thyejë ampulën. Koha e saktë e zbërthimit atomik nuk dihet. Dihet vetëm gjysma e jetës: koha gjatë së cilës do të ndodhë prishja me një probabilitet 50%.

Rezulton se për një vëzhgues të jashtëm, macja brenda kutisë ekziston në dy gjendje njëherësh: ose është e gjallë, nëse gjithçka shkon mirë, ose e vdekur, nëse ka ndodhur prishja dhe ampula është thyer. Të dyja këto gjendje përshkruhen nga funksioni i valës së maces, i cili ndryshon me kalimin e kohës: sa më larg, aq më e madhe është gjasat që prishja radioaktive të ketë ndodhur tashmë. Por, sapo hapet kutia, funksioni i valës shembet dhe ne shohim menjëherë rezultatin e eksperimentit të knacker.

Rezulton se derisa vëzhguesi të hapë kutinë, macja do të balancojë përgjithmonë në kufirin midis jetës dhe vdekjes, dhe vetëm veprimi i vëzhguesit do të përcaktojë fatin e saj. Ky është absurditeti që vuri në dukje Schrödinger.

Difraksioni i elektronit

Sipas një sondazhi të fizikantëve kryesorë të kryer nga The New York Times, eksperimenti me difraksionin e elektroneve, i kryer në vitin 1961 nga Klaus Jenson, u bë një nga më të bukurit në historinë e shkencës. Cili është thelbi i tij?

Ekziston një burim që lëshon një rrjedhë elektronesh drejt ekranit të pllakës fotografike. Dhe ka një pengesë në rrugën e këtyre elektroneve - një pllakë bakri me dy të çara. Çfarë lloj fotografie mund të prisni në ekran nëse i mendoni elektronet si topa të vegjël të ngarkuar? Dy vija të ndriçuara përballë të çarave.

Në realitet, në ekran shfaqet një model shumë më kompleks i vijave të alternuara bardh e zi. Fakti është se kur kalojnë nëpër çarje, elektronet fillojnë të sillen jo si grimca, por si valë (ashtu si fotonet, grimcat e dritës, mund të jenë njëkohësisht valë). Më pas këto valë ndërveprojnë në hapësirë, duke dobësuar dhe forcuar njëra-tjetrën në disa vende, dhe si rezultat në ekran shfaqet një pamje komplekse e shiritave të alternuar të dritës dhe të errët.

Në këtë rast, rezultati i eksperimentit nuk ndryshon, dhe nëse elektronet dërgohen nëpër çarje jo në një rrjedhë të vazhdueshme, por individualisht, edhe një grimcë mund të jetë njëkohësisht një valë. Edhe një elektron mund të kalojë njëkohësisht nëpër dy çarje (dhe ky është një pozicion tjetër i rëndësishëm i interpretimit të Kopenhagës të mekanikës kuantike - objektet mund të shfaqin njëkohësisht vetitë e tyre materiale "të zakonshme" dhe vetitë e valëve ekzotike).

Por çfarë lidhje ka vëzhguesi me të? Pavarësisht se historia e tij tashmë e ndërlikuar u bë edhe më e ndërlikuar. Kur, në eksperimente të ngjashme, fizikantët u përpoqën të zbulonin me ndihmën e instrumenteve që prenë elektronin që kalonte në të vërtetë, fotografia në ekran ndryshoi në mënyrë dramatike dhe u bë "klasike": dy zona të ndriçuara përballë të çarave dhe pa vija të alternuara.

Dukej sikur elektronet nuk donin të tregonin natyrën e tyre valore nën vështrimin vigjilent të vëzhguesit. Ne iu përshtatëm dëshirës së tij instiktive për të parë një pamje të thjeshtë dhe të kuptueshme. Mistik? Ekziston një shpjegim shumë më i thjeshtë: asnjë vëzhgim i sistemit nuk mund të kryhet pa ndikim fizik mbi të. Por ne do t'i kthehemi kësaj pak më vonë.

Fullereni i ngrohur

Eksperimentet mbi difraksionin e grimcave u kryen jo vetëm në elektrone, por edhe në objekte shumë më të mëdha. Për shembull, fullerenet janë molekula të mëdha dhe të mbyllura të përbëra nga dhjetëra atome karboni (për shembull, një fulleren prej gjashtëdhjetë atomesh karboni është shumë i ngjashëm në formë me një top futbolli: një sferë e zbrazët e qepur së bashku nga pesëkëndëshat dhe gjashtëkëndëshat).

Kohët e fundit, një grup nga Universiteti i Vjenës, i udhëhequr nga profesor Zeilinger, u përpoq të fuste një element vëzhgimi në eksperimente të tilla. Për ta bërë këtë, ata rrezatuan molekulat lëvizëse të fullerenit me një rreze lazer. Më pas, të ngrohura nga ndikimi i jashtëm, molekulat filluan të shkëlqejnë dhe në këtë mënyrë i zbuluan në mënyrë të pashmangshme vëzhguesit vendin e tyre në hapësirë.

Së bashku me këtë risi, edhe sjellja e molekulave ndryshoi. Përpara fillimit të mbikëqyrjes totale, fullerenet kaluan me mjaft sukses pengesat (shfaqën vetitë e valës) si elektronet nga shembulli i mëparshëm që kalojnë nëpër një ekran të errët. Por më vonë, me shfaqjen e një vëzhguesi, fullerenet u qetësuan dhe filluan të silleshin si grimca të materies plotësisht që i binden ligjit.

Dimensioni i ftohjes

Një nga ligjet më të famshme të botës kuantike është parimi i pasigurisë së Heisenberg: është e pamundur të përcaktohet njëkohësisht pozicioni dhe shpejtësia e një objekti kuantik. Sa më saktë të matim momentin e një grimce, aq më pak saktë mund të matet pozicioni i saj. Por efektet e ligjeve kuantike që veprojnë në nivelin e grimcave të vogla janë zakonisht të padukshme në botën tonë të objekteve makro të mëdha.

Prandaj, më të vlefshme janë eksperimentet e fundit të grupit të profesor Schwab nga SHBA, në të cilat efektet kuantike u demonstruan jo në nivelin e të njëjtave elektrone ose molekulash fullerene (diametri i tyre karakteristik është rreth 1 nm), por në një nivel pak më të prekshëm. objekt - një shirit i vogël alumini.

Ky shirit ishte i fiksuar në të dy anët në mënyrë që mesi i tij të ishte i varur dhe të mund të vibronte nën ndikimin e jashtëm. Përveç kësaj, pranë shiritit kishte një pajisje të aftë për të regjistruar pozicionin e saj me saktësi të lartë.

Si rezultat, eksperimentuesit zbuluan dy efekte interesante. Së pari, çdo matje e pozicionit të objektit ose vëzhgimi i shiritit nuk kaloi pa lënë gjurmë për të - pas çdo matje pozicioni i shiritit ndryshoi. Përafërsisht, eksperimentuesit përcaktuan koordinatat e shiritit me saktësi të madhe dhe në këtë mënyrë, sipas parimit Heisenberg, ndryshuan shpejtësinë e tij, dhe për këtë arsye pozicionin e tij të mëvonshëm.

Së dyti, dhe krejt papritur, disa matje çuan gjithashtu në ftohjen e shiritit. Rezulton se një vëzhgues mund të ndryshojë karakteristikat fizike të objekteve vetëm me praninë e tij. Tingëllon krejtësisht e pabesueshme, por për meritë të fizikantëve, le të themi se ata nuk ishin në humbje - tani grupi i profesorit Schwab po mendon se si të zbatojë efektin e zbuluar për të ftohur çipat elektronikë.

Grimcat ngrirëse

Siç e dini, grimcat radioaktive të paqëndrueshme prishen në botë jo vetëm për hir të eksperimenteve mbi macet, por edhe plotësisht vetë. Për më tepër, çdo grimcë karakterizohet nga një jetëgjatësi mesatare, e cila, siç rezulton, mund të rritet nën vështrimin vigjilent të vëzhguesit.

Ky efekt kuantik u parashikua për herë të parë në vitet 1960, dhe konfirmimi i tij i shkëlqyer eksperimental u shfaq në një punim të botuar në vitin 2006 nga grupi i fizikantit Nobelist Wolfgang Ketterle në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts.

Në këtë punë, ne studiuam zbërthimin e atomeve të paqëndrueshme të ngacmuara të rubidiumit (zbërthimi në atome rubidiumi në gjendjen bazë dhe fotone). Menjëherë pasi sistemi u përgatit dhe atomet u emocionuan, ata filluan të vëzhgoheshin - ata u ndriçuan me një rreze lazer. Në këtë rast, vëzhgimi u krye në dy mënyra: i vazhdueshëm (pulse të vogla të dritës furnizohen vazhdimisht në sistem) dhe pulsues (sistemi rrezatohet herë pas here me impulse më të fuqishme).

Rezultatet e marra ishin në përputhje të shkëlqyer me parashikimet teorike. Ndikimet e jashtme të dritës në fakt ngadalësojnë prishjen e grimcave, sikur i kthejnë ato në gjendjen e tyre origjinale, larg nga kalbja. Për më tepër, madhësia e efektit për dy regjimet e studiuara përkon gjithashtu me parashikimet. Dhe jeta maksimale e atomeve të rubidiumit të ngacmuar të paqëndrueshëm u zgjat me 30 herë.

Mekanika kuantike dhe vetëdija

Elektronet dhe fullerenet pushojnë së shfaquri vetitë e tyre valore, pllakat e aluminit ftohen dhe grimcat e paqëndrueshme ngrijnë në kalbjen e tyre: nën vështrimin e gjithëfuqishëm të vëzhguesit, bota po ndryshon. Çfarë nuk është dëshmi e përfshirjes së mendjes sonë në punën e botës përreth nesh? Pra, ndoshta Carl Jung dhe Wolfgang Pauli (fizikan austriak, laureat i çmimit Nobel, një nga pionierët e mekanikës kuantike) kishin të drejtë kur thanë se ligjet e fizikës dhe ndërgjegjes duheshin konsideruar si plotësuese?

Por ky është vetëm një hap larg njohjes rutinë: e gjithë bota rreth nesh është thelbi i mendjes sonë. E mërzitur? (“A mendoni vërtet se Hëna ekziston vetëm kur e shikoni?” komentoi Ajnshtajni mbi parimet e mekanikës kuantike). Atëherë le të përpiqemi t'u drejtohemi përsëri fizikantëve. Për më tepër, vitet e fundit ata janë bërë gjithnjë e më pak të dhënë pas interpretimit të Kopenhagës të mekanikës kuantike me kolapsin e saj misterioz të një vale funksioni, e cila po zëvendësohet nga një term tjetër, mjaft i bazuar në tokë dhe i besueshëm - dekoherenca.

Çështja është kjo: në të gjitha eksperimentet vëzhguese të përshkruara, eksperimentuesit ndikuan në mënyrë të pashmangshme në sistem. E ndriçuan me lazer dhe vendosën instrumente matëse. Dhe ky është një parim i përgjithshëm, shumë i rëndësishëm: nuk mund të vëzhgosh një sistem, të matësh vetitë e tij pa ndërvepruar me të. Dhe aty ku ka ndërveprim, ka një ndryshim në vetitë. Për më tepër, kur kolosi i objekteve kuantike ndërvepron me një sistem të vogël kuantik. Pra, neutraliteti i përjetshëm budist i vëzhguesit është i pamundur.

Kjo është pikërisht ajo që shpjegon termin "dekoherencë" - një proces i pakthyeshëm i shkeljes së vetive kuantike të një sistemi gjatë ndërveprimit të tij me një sistem tjetër, më të madh. Gjatë një ndërveprimi të tillë, sistemi kuantik humbet tiparet e tij origjinale dhe bëhet klasik, duke i "nënshtruar" sistemit të madh. Kjo shpjegon paradoksin me macen e Shrodingerit: macja është një sistem kaq i madh saqë thjesht nuk mund të izolohet nga bota. Vetë eksperimenti i mendimit nuk është plotësisht i saktë.

Në çdo rast, në krahasim me realitetin si një akt i krijimit të vetëdijes, dekoherenca tingëllon shumë më e qetë. Ndoshta edhe shumë i qetë. Në fund të fundit, me këtë qasje, e gjithë bota klasike bëhet një efekt i madh dekoherence. Dhe sipas autorëve të një prej librave më seriozë në këtë fushë, pohime si "nuk ka grimca në botë" ose "nuk ka kohë në një nivel themelor" gjithashtu rrjedhin logjikisht nga qasje të tilla.

Vëzhgues krijues apo dekoherencë e plotfuqishme? Duhet të zgjedhësh mes dy të këqijave. Por mbani mend - tani shkencëtarët janë gjithnjë e më të bindur se baza e proceseve tona të të menduarit janë të njëjtat efekte kuantike famëkeqe. Pra, ku mbaron vëzhgimi dhe fillon realiteti - secili prej nesh duhet të zgjedhë.

Në vitin 1935, kur mekanika kuantike dhe teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit ishin shumë të reja, fizikani jo aq i famshëm sovjetik Matvei Bronstein, në moshën 28 vjeçare, bëri studimin e parë të detajuar të pajtimit të këtyre dy teorive në teorinë kuantike të gravitetit. Kjo "ndoshta një teori e të gjithë botës", siç shkroi Bronstein, mund të zëvendësojë përshkrimin klasik të gravitetit të Ajnshtajnit, në të cilin ai shihet si kthesa në vazhdimësinë hapësirë-kohë, dhe ta rishkruajë atë në gjuhën kuantike, si pjesa tjetër e fizikës.

Bronstein kuptoi se si ta përshkruajë gravitetin në terma të grimcave të kuantizuara, të quajtura tani gravitone, por vetëm kur forca e gravitetit është e dobët - domethënë (në relativitetin e përgjithshëm) kur hapësirë-koha është aq pak e lakuar sa që në thelb është e sheshtë. Kur graviteti është i fortë, "situata është krejtësisht ndryshe", shkroi shkencëtari. "Pa një rishikim të thellë të koncepteve klasike, duket pothuajse e pamundur të imagjinohet një teori kuantike e gravitetit në këtë zonë."

Fjalët e tij ishin profetike. Tetëdhjetë e tre vjet më vonë, fizikanët janë ende duke u përpjekur të kuptojnë se si lakimi i hapësirë-kohës manifestohet në shkallë makroskopike, që lind nga një pamje më themelore dhe me sa duket kuantike e gravitetit; Kjo është ndoshta pyetja më e thellë në fizikë. Ndoshta, nëse do të kishte një shans, mendja e ndritur e Bronstein do ta përshpejtonte procesin e këtij kërkimi. Përveç gravitetit kuantik, ai dha gjithashtu kontribute në astrofizikë dhe kozmologji, teorinë e gjysmëpërçuesve, elektrodinamikën kuantike dhe shkroi disa libra për fëmijë. Në vitin 1938, ai ra nën represionet e Stalinit dhe u ekzekutua në moshën 31-vjeçare.

Kërkimi për një teori të plotë të gravitetit kuantik është i ndërlikuar nga fakti se vetitë kuantike të gravitetit nuk manifestohen kurrë në përvojën reale. Fizikanët nuk e shohin se si është shkelur përshkrimi i Ajnshtajnit për një vazhdimësi të lëmuar hapësirë-kohë, ose përafrimi kuantik i Bronsteinit në një gjendje pak të lakuar.

Problemi është dobësia ekstreme e forcës gravitacionale. Ndërsa grimcat e kuantizuara që transmetojnë forca të forta, të dobëta dhe elektromagnetike janë aq të forta sa lidhin fort lëndën në atome dhe mund të ekzaminohen fjalë për fjalë nën një xham zmadhues, gravitonët individualë janë aq të dobët sa laboratorët nuk kanë asnjë shans për t'i zbuluar ato. Për të pasur një probabilitet të lartë për të kapur një graviton, detektori i grimcave duhet të jetë aq i madh dhe masiv sa të rrëzohet në një vrimë të zezë. Kjo dobësi shpjegon pse akumulimet astronomike të masës nevojiten për të ndikuar në trupa të tjerë masivë përmes gravitetit dhe pse ne shohim efekte gravitacionale në shkallë të mëdha.

Kjo nuk është e gjitha. Universi duket se i nënshtrohet një lloj censure kozmike: rajonet e gravitetit të fortë – ku kthesat e hapësirë-kohës janë aq të mprehta sa ekuacionet e Ajnshtajnit prishen dhe natyra kuantike e gravitetit dhe hapësirë-kohës duhet të zbulohet – fshihen gjithmonë pas horizontit të vrimave të zeza.

“Edhe disa vite më parë, kishte një konsensus të përgjithshëm se ka shumë të ngjarë të ishte e pamundur të matej kuantizimi i fushës gravitacionale në asnjë mënyrë,” thotë Igor Pikovsky, një fizikan teorik në Universitetin e Harvardit.

Tani, disa punime të fundit të botuara në Physical Review Letters e kanë ndryshuar atë. Këto dokumente pretendojnë se mund të jetë e mundur të arrihet te graviteti kuantik - edhe pa ditur asgjë për të. Dokumentet, të shkruara nga Sugato Bose i Kolegjit Universitar të Londrës dhe Chiara Marletto dhe Vlatko Vedral nga Universiteti i Oksfordit, propozojnë një eksperiment teknikisht sfidues por të realizueshëm që mund të konfirmojë se graviteti është një forcë kuantike si gjithë të tjerët, pa kërkuar zbulimin e një gravitoni. . Miles Blencowe, një fizikan kuantik në Kolegjin Dartmouth, i cili nuk ishte i përfshirë në këtë punë, thotë se një eksperiment i tillë mund të zbulojë një nënshkrim të qartë të gravitetit kuantik të padukshëm - "buzëqeshjen e maces Cheshire".

Eksperimenti i propozuar do të përcaktojë nëse dy objekte - grupi i Bose planifikon të përdorë një palë mikrodiamante - mund të ngatërrohen mekanikisht kuantike me njëri-tjetrin përmes tërheqjes reciproke gravitacionale. Ngatërrimi është një fenomen kuantik në të cilin grimcat ndërthuren në mënyrë të pandashme, duke ndarë një përshkrim të vetëm fizik që përcakton gjendjet e tyre të mundshme të kombinuara. (Bashkëjetesa e gjendjeve të ndryshme të mundshme quhet "superpozicioni" dhe përcakton një sistem kuantik.) Për shembull, një palë grimcash të ngatërruara mund të ekzistojnë në një mbivendosje në të cilën grimca A ka një probabilitet 50% të rrotullohet nga poshtë lart, dhe grimca B do të rrotullohet nga lart poshtë, dhe me një probabilitet 50% anasjelltas. Askush nuk e di paraprakisht se çfarë rezultati do të merrni kur matni drejtimin e rrotullimit të grimcave, por mund të jeni i sigurt se do të jetë e njëjtë për ta.

Autorët argumentojnë se dy objektet në eksperimentin e propozuar mund të ngatërrohen në këtë mënyrë vetëm nëse forca që vepron midis tyre - në këtë rast graviteti - është një ndërveprim kuantik i ndërmjetësuar nga gravitone, të cilët mund të mbështesin superpozicione kuantike. "Nëse eksperimenti kryhet dhe përftohet ngatërrimi, sipas punës, mund të konkludojmë se graviteti është i kuantizuar," shpjegoi Blencowe.

Ngatërroni diamantin

Graviteti kuantik është aq delikat sa disa shkencëtarë kanë dyshuar në ekzistencën e tij. Matematikani dhe fizikani i njohur Freeman Dyson, 94 vjeç, ka argumentuar që nga viti 2001 se universi mund të mbështesë një lloj përshkrimi "dualist" në të cilin "fusha gravitacionale e përshkruar nga teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit do të ishte një fushë thjesht klasike pa ndonjë sjellje kuantike". , ndërsa e gjithë materia në këtë vazhdimësi të lëmuar hapësirë-kohë do të kuantizohet nga grimcat që u binden rregullave të probabilitetit.

Dyson, i cili ndihmoi në zhvillimin e elektrodinamikës kuantike (teoria e ndërveprimeve midis materies dhe dritës) dhe është profesor emeritus në Institutin për Studime të Avancuara në Princeton, New Jersey, nuk beson se graviteti kuantik është i nevojshëm për të përshkruar brendësinë e paarritshme të vrimave të zeza. . Dhe ai gjithashtu beson se zbulimi i një gravitoni hipotetik mund të jetë i pamundur në parim. Në atë rast, thotë ai, graviteti kuantik do të ishte metafizik, jo fizik.

Ai nuk është i vetmi skeptik. Fizikani i famshëm anglez Sir Roger Penrose dhe shkencëtari hungarez Lajos Diosi propozuan në mënyrë të pavarur se hapësirë-koha nuk mund të mbështesë mbivendosjet. Ata besojnë se natyra e tij e lëmuar, e ngurtë, thelbësisht klasike e pengon atë të përkulet në dy shtigje të mundshme në të njëjtën kohë - dhe është kjo ngurtësi që çon në kolapsin e superpozicioneve të sistemeve kuantike si elektronet dhe fotonet. "Dekoherenca gravitacionale", sipas mendimit të tyre, lejon që të ndodhë një realitet i vetëm, solid, klasik që mund të ndihet në një shkallë makroskopike.

Aftësia për të gjetur "buzëqeshjen" e gravitetit kuantik duket se hedh poshtë argumentin e Dyson. Ai gjithashtu vret teorinë e dekoherencës gravitacionale duke treguar se graviteti dhe hapësirë-koha mbështesin në të vërtetë superpozicionet kuantike.

Propozimet e Bose dhe Marletto u shfaqën njëkohësisht dhe krejtësisht rastësisht, megjithëse ekspertët vërejnë se ato pasqyrojnë frymën e kohës. Laboratorët eksperimentalë të fizikës kuantike në mbarë botën po vendosin objekte mikroskopike gjithnjë e më të mëdha në mbivendosje kuantike dhe po optimizojnë protokollet për testimin e ngatërrimit të dy sistemeve kuantike. Eksperimenti i propozuar duhet të kombinojë këto procedura, ndërkohë që kërkon përmirësime të mëtejshme në shkallë dhe ndjeshmëri; ndoshta do të duhen dhjetë vjet. "Por nuk ka rrugë pa krye fizike," thotë Pikovsky, i cili po eksploron gjithashtu se si eksperimentet laboratorike mund të hetojnë fenomenet gravitacionale. "Unë mendoj se është e vështirë, por jo e pamundur."

Ky plan është përshkruar më hollësisht në punën e Bose et al - Njëmbëdhjetë Ekspertët e Ocean për faza të ndryshme të propozimit. Për shembull, në laboratorin e tij në Universitetin e Warwick, bashkëautori Gavin Morley po punon në hapin e parë, duke u përpjekur të vendosë një mikrodiamant në një mbivendosje kuantike në dy vende. Për ta bërë këtë, ai do të kufizojë një atom azoti në mikrodiamantin, pranë një vendi të lirë në strukturën e diamantit (e ashtuquajtura qendra NV, ose vakanca e zëvendësuar me azot në diamant), dhe do ta ngarkojë atë me një puls mikrovalë. Një elektron që rrotullohet rreth qendrës NV njëkohësisht thith dritën dhe jo, dhe sistemi shkon në një mbivendosje kuantike të dy drejtimeve të rrotullimit - lart e poshtë - si një majë që rrotullohet në drejtim të akrepave të orës me një probabilitet të caktuar dhe në të kundërt me një probabilitet të caktuar. Një mikrodiamant i ngarkuar me këtë rrotullim të mbivendosur i nënshtrohet një fushe magnetike që bën që rrotullimi i sipërm të lëvizë majtas dhe rrotullimi i poshtëm në të djathtë. Vetë diamanti ndahet në një mbivendosje të dy trajektoreve.

Në një eksperiment të plotë, shkencëtarët do t'i bënin të gjitha këto me dy diamante - të kuqe dhe blu, për shembull - të vendosur krah për krah në një vakum ultra të ftohtë. Kur kurthi që i mban fikur, dy mikrodiamantet, secili në një mbivendosje prej dy pozicionesh, do të bien vertikalisht në vakum. Ndërsa diamantet bien, ata do të ndjejnë gravitetin e secilit prej tyre. Sa e fortë do të jetë tërheqja e tyre gravitacionale?

Nëse graviteti është një forcë kuantike, përgjigja është: varet. Çdo përbërës i mbivendosjes së diamantit blu do të përjetojë një tërheqje më të fortë ose më të dobët drejt diamantit të kuq, në varësi të faktit nëse ky i fundit është në një degë të mbivendosjes që është më afër ose më larg. Dhe graviteti që do të ndiejë çdo përbërës i mbivendosjes së diamantit të kuq varet në të njëjtën mënyrë nga gjendja e diamantit blu.

Në secilin rast, shkallë të ndryshme të tërheqjes gravitacionale veprojnë në përbërësit në zhvillim të superpozicioneve të diamantit. Dy diamantet bëhen të ndërvarur sepse gjendjet e tyre mund të përcaktohen vetëm në kombinim - nëse kjo do të thotë se - kështu që përfundimisht drejtimet e rrotullimit të dy sistemeve të qendrave NV do të lidhen.

Pasi mikrodiamantet të bien krah për krah për tre sekonda - mjaftueshëm për t'u ngatërruar në gravitet - ata do të kalojnë nëpër një fushë tjetër magnetike, e cila do t'i bashkojë degët e secilës mbivendosje. Hapi i fundit i eksperimentit është protokolli i dëshmitarit të ngatërresës i zhvilluar nga fizikanja daneze Barbara Theral dhe të tjerë: diamantet blu dhe të kuqe hyjnë në pajisje të ndryshme që matin drejtimet e rrotullimit të sistemeve qendrore NV. (Matja bën që superpozicionet të shemben në gjendje të caktuara.) Më pas, të dy rezultatet krahasohen. Duke kryer eksperimentin pa pushim dhe duke krahasuar shumë çifte matjesh rrotullimi, shkencëtarët mund të përcaktojnë nëse rrotullimet e dy sistemeve kuantike lidhen në të vërtetë më shpesh sesa kufiri i sipërm për objektet që nuk janë të ngatërruar mekanikisht kuantik. Nëse është kështu, graviteti në fakt ngatërron diamantet dhe mund të mbështesë mbivendosjet.

"Ajo që është interesante në lidhje me këtë eksperiment është se ju nuk keni nevojë të dini se çfarë është teoria kuantike," thotë Blencowe. "Gjithçka që nevojitet është të thuhet se ka një aspekt kuantik në këtë rajon që ndërmjetësohet nga forca midis dy grimcave."

Ka shumë vështirësi teknike. Objekti më i madh që ishte vendosur në mbivendosje në dy vende më parë ishte një molekulë me 800 atome. Çdo mikrodiamant përmban më shumë se 100 miliardë atome karboni - të mjaftueshme për të grumbulluar një forcë të dukshme gravitacionale. Zbërthimi i natyrës së tij mekanike kuantike do të kërkojë temperatura të ulëta, vakum të thellë dhe kontroll të saktë. “Është shumë punë për të vënë në funksion mbivendosjen fillestare”, thotë Peter Barker, pjesë e ekipit eksperimental që po përmirëson teknikat e ftohjes me lazer dhe kurthit të mikrodiamantit. Nëse kjo mund të bëhej me një diamant, shton Bose, "një i dyti nuk do të ishte problem".

Çfarë është unike për gravitetin?

Studiuesit e gravitetit kuantik nuk kanë dyshim se graviteti është një ndërveprim kuantik që mund të shkaktojë ngatërrim. Natyrisht, graviteti është disi unik, dhe ka ende shumë për të mësuar rreth origjinës së hapësirës dhe kohës, por mekanika kuantike duhet patjetër të përfshihet, thonë shkencëtarët. "Në të vërtetë, çfarë kuptimi ka një teori në të cilën pjesa më e madhe e fizikës është kuantike dhe graviteti është klasik," thotë Daniel Harlow, një studiues i gravitetit kuantik në MIT. Argumentet teorike kundër modeleve të përziera kuantike-klasike janë shumë të forta (megjithëse jo përfundimtare).

Nga ana tjetër, teoricienët kanë gabuar më parë. “Nëse mund ta kontrolloni, pse jo? Nëse kjo u mbyll gojën këtyre njerëzve që vënë në dyshim natyrën kuantike të gravitetit, do të ishte mirë,” thotë Harlow.

Pasi lexoi letrat, Dyson shkroi: "Eksperimenti i propozuar është sigurisht me interes të madh dhe kërkon kryerjen në kushtet e një sistemi të vërtetë kuantik." Megjithatë, ai vëren se linjat e mendimit të autorëve rreth fushave kuantike ndryshojnë nga ai. “Nuk është e qartë për mua nëse ky eksperiment mund të zgjidhë çështjen e ekzistencës së gravitetit kuantik. Pyetja që po bëja - nëse vërehet një graviton i vetëm - është një pyetje tjetër dhe mund të ketë një përgjigje të ndryshme.

Linja e mendimit të Bose, Marletto dhe kolegëve të tyre mbi gravitetin e kuantizuar rrjedh nga puna e Bronstein që në vitin 1935. (Dyson e quajti veprën e Bronstein "një vepër të bukur" që nuk e kishte parë më parë). Në veçanti, Bronstein tregoi se graviteti i dobët i krijuar nga masa e vogël mund të përafrohet me ligjin e gravitetit të Njutonit. (Kjo është forca që vepron midis mbivendosjeve të mikrodiamanteve). Sipas Blencowe, llogaritjet e gravitetit të dobët të kuantizuar nuk janë kryer veçanërisht, megjithëse ato janë sigurisht më të rëndësishme sesa fizika e vrimave të zeza ose Big Bengu. Ai shpreson se propozimi i ri eksperimental do të inkurajojë teoricienët që të kërkojnë përsosje delikate të përafrimit të Njutonit, të cilat eksperimentet e ardhshme në tavolinë mund të përpiqen ta testojnë.

Leonard Susskind, një teoricien i njohur i gravitetit kuantik dhe teoricienit të fijeve në Universitetin Stanford, e pa vlerën e eksperimentit të propozuar sepse "ai ofron vëzhgime të gravitetit në një gamë të re masash dhe distancash". Por ai dhe studiues të tjerë theksuan se mikrodiamantet nuk mund të zbulojnë asgjë rreth teorisë së plotë të gravitetit kuantik ose hapësirë-kohës. Ai dhe kolegët e tij do të donin të kuptonin se çfarë ndodh në qendër të një vrime të zezë dhe në momentin e Big Bengut.

Ndoshta një e dhënë se pse kuantizimi i gravitetit është shumë më i vështirë se çdo gjë tjetër është se forcat e tjera të natyrës kanë atë që quhet "lokalitet": grimcat kuantike në një rajon të fushës (fotonet në një fushë elektromagnetike, për shembull) janë "të pavarura nga entitete të tjera fizike në një rajon tjetër të hapësirës”, thotë Mark van Raamsdonk, një teoricien i gravitetit kuantik në Universitetin e Kolumbisë Britanike. "Por ka shumë prova teorike që graviteti nuk funksionon në atë mënyrë."

Në modelet më të mira të gravitetit kuantik të kutisë së rërës (me gjeometri të thjeshtuara hapësirë-kohë), është e pamundur të supozohet se shiriti i pëlhurës hapësirë-kohë është i ndarë në pjesë të pavarura tre-dimensionale, thotë van Raamsdonk. Në vend të kësaj, teoria moderne sugjeron se përbërësit themelorë, themelorë të hapësirës janë "të organizuar më tepër në një mënyrë dydimensionale". Pëlhura e hapësirë-kohës mund të jetë si një hologram ose një lojë video. "Megjithëse fotografia është tredimensionale, informacioni ruhet në një çip kompjuteri dydimensional." Në këtë rast, bota tredimensionale do të ishte një iluzion në kuptimin që pjesët e saj të ndryshme nuk janë aq të pavarura. Në një analogji të lojërave video, disa pjesë në një çip dydimensional mund të kodojnë funksionet globale të të gjithë universit të lojës.

Dhe ky ndryshim ka rëndësi kur po përpiqeni të krijoni një teori kuantike të gravitetit. Qasja e zakonshme për kuantizimin e diçkaje është të identifikoni pjesët e saj të pavarura - grimcat, për shembull - dhe më pas të aplikoni mekanikën kuantike për to. Por nëse nuk përcaktoni komponentët e duhur, përfundoni me ekuacione të gabuara. Kuantizimi i drejtpërdrejtë i hapësirës tre-dimensionale që Bronstein donte të bënte funksionon në një farë mase me gravitet të dobët, por rezulton të jetë i padobishëm kur hapësirë-koha është shumë e lakuar.

Disa ekspertë thonë se dëshmimi i "buzëqeshjes" së gravitetit kuantik mund të çojë në motivimin për këtë lloj arsyetimi abstrakt. Në fund të fundit, edhe argumentet më të zhurmshme teorike për ekzistencën e gravitetit kuantik nuk mbështeten nga fakte eksperimentale. Kur van Raamsdonk shpjegon kërkimin e tij në një kolokium shkencor, thotë ai, zakonisht fillon me një histori se si graviteti duhet të rimendohet me mekanikën kuantike, sepse përshkrimi klasik i hapësirë-kohës prishet me vrimat e zeza dhe Big Bengun.

“Por nëse bëni këtë eksperiment të thjeshtë dhe tregoni se fusha gravitacionale ishte në mbivendosje, dështimi i përshkrimit klasik bëhet i dukshëm. Sepse do të ketë një eksperiment që nënkupton se graviteti është kuantik.”

Bazuar në materialet nga Revista Quanta

E.S.,
, Institucioni arsimor komunal shkolla e mesme nr. 16 me UIOP, Lysva, rajoni Perm.

Lindja e Fizikës Kuantike

Gjeni fillimin e gjithçkaje dhe do të kuptoni shumë!
Kozma Prutkov

Objektivi edukativ i mësimit: prezantoni konceptin e diskretitetit të materies, formuloni konceptin e dualizmit të valëve kuantike të materies, justifikoni prezantimin e formulave të Planck dhe gjatësisë valore të de Broglie.

Objektivi zhvillimor i mësimit: zhvillojnë të menduarit logjik, aftësinë për të krahasuar dhe analizuar situata dhe për të parë lidhjet ndërdisiplinore.

Objektivi edukativ i mësimit: për të formuar të menduarit dialektik-materialist.

Fizika si shkencë ka vlera universale njerëzore dhe potencial të madh humanitar. Gjatë studimit të tij, zbulohen metodat themelore shkencore (eksperimenti shkencor, modelimi, eksperimenti i mendimit, krijimi dhe struktura e teorisë shkencore). Nxënësve duhet t'u jepet mundësia të shikojnë botën përmes syve të një fizikani në mënyrë që të kuptojnë përjetësinë dhe ndryshimin e vazhdueshëm të botës - një botë në të cilën ka aq shumë që është e madhe dhe e parëndësishme e vogël, shumë e shpejtë dhe jashtëzakonisht e ngadaltë. , e thjeshtë dhe e vështirë për t'u kuptuar - të ndjesh dëshirën e vazhdueshme të njeriut për njohuri që sjell kënaqësinë më të thellë, të njihesh me shembuj të përvojës së thellë të "dyshimeve shkencore" dhe lëvizjes së guximshme përgjatë një rruge të panjohur në kërkim të elegancës, shkurtësisë dhe qartësisë. .

I. Mësues. Kur filluam të studionim optikën, bëra pyetjen: "Çfarë është drita?" Si do t'i përgjigjeshit tani? Mundohuni të formuloni mendimin tuaj me një fjali. Filloni me fjalët "drita është..." Nga F.I. Tyutchev ka këto rreshta: "Përsëri me sy të pangopur // Unë pi Dritën jetëdhënëse". Ju lutemi, përpiquni të komentoni këto rreshta nga pikëpamja e fizikës. Në poezi - nga Homeri e deri në ditët e sotme - ndjesitë e krijuara nga drita kanë pasur gjithmonë një vend të veçantë. Më shpesh, poetët e perceptonin dritën si një lëng të veçantë shkëlqyes, të ndritshëm.

Për ta bërë të plotë bisedën e sotme për dritën, do të doja të lexoja fjalët e S.I. Vavilova: “Lufta e vazhdueshme, fitimtare për të vërtetën, e cila nuk përfundon kurrë në fitoren përfundimtare, ka megjithatë justifikimin e saj të padiskutueshëm. Në rrugën drejt të kuptuarit të natyrës së dritës, njeriu mori mikroskopë, teleskopë, gjetës të rrezes, radio dhe rreze X; ky hulumtim ndihmoi për të zotëruar energjinë e bërthamës atomike. Në kërkim të së vërtetës, njeriu zgjeron pa kufi zonat e zotërimit të tij të natyrës. A nuk është kjo detyra e vërtetë e shkencës? (theksimi im. - E.U.)»

II. Mësues. Në procesin e studimit të fizikës u njohëm me shumë teori, për shembull, MCT, termodinamikën, teorinë e Maxwell-it të fushës elektromagnetike etj. Sot jemi duke përfunduar studimin e optikës valore. Ne duhet të përmbledhim studimin e temës dhe, ndoshta, të vendosim një pikë përfundimtare në pyetjen: "Çfarë është drita?" A mund të përdorni shembuj nga optika valore për të treguar rolin e teorisë në procesin e të kuptuarit të natyrës?

Le të kujtojmë se rëndësia e teorisë qëndron jo vetëm në faktin se ajo lejon që dikush të shpjegojë shumë fenomene, por edhe në faktin se bën të mundur parashikimin e fenomeneve fizike të reja, ende të panjohura, vetive të trupave dhe modeleve. Kështu, teoria e valës shpjegoi fenomenet e ndërhyrjes, difraksionit, polarizimit, thyerjes, shpërndarjes së dritës dhe bëri të mundur që të bëhet një "zbulim në majë të një stilolapsi" - një parashikim. Në 1815, një inxhinier i panjohur në pension, Augustin Fresnel, paraqiti një dokument që shpjegon fenomenin e difraksionit në Akademinë e Shkencave të Parisit. Analiza e punës iu besua shkencëtarëve të famshëm - fizikanit D. Arago dhe matematikanit S. Poisson. Poisson, duke e lexuar këtë vepër me pasion, zbuloi një absurditet të hapur në përfundimet e Fresnel: nëse një objektiv i vogël i rrumbullakët vendoset në një rrjedhë drite, atëherë një pikë e lehtë duhet të shfaqet në qendër të hijes! Çfarë mendoni se ndodhi më pas? Disa ditë më vonë, Arago eksperimentoi dhe zbuloi se Fresnel kishte të drejtë! Pra, shekulli i 19-të është shekulli i triumfit të optikës valore.

Çfarë është drita? Drita është një valë tërthore elektromagnetike.

Duke përfunduar studimin e një pjese të madhe të fizikës që lidhet me natyrën e dritës dhe valëve elektromagnetike, unë propozoj që në mënyrë të pavarur të kryeni detyrën e provës "Valët elektromagnetike" (shih Shtojcën 1). Ne kontrollojmë ekzekutimin frontalisht.

III. Mësues. Dhe ja çfarë shkruanin gazetat londineze në prag të vitit 1900: “Kur rrugët e Londrës u ndezën me drita festive të bëra me llamba të ndezura në vend të tasave të zbehta të naftës, taksitë shkonin me makinë deri në ndërtesën e lashtë në Fleet Street njëra pas tjetrës. Zotërinj të respektuar të veshur me rroba u ngjitën në shkallët e gjera e të ndriçuara me shkëlqim në sallë. Pastaj anëtarët e Shoqërisë Mbretërore të Londrës u mblodhën për takimin e tyre të ardhshëm. I gjatë, me flokë gri, me mjekër të trashë, Sir William Thomson (a dini për arritjet e tij në fushën e fizikës? - E.U.), tetë vjet më parë i dha nga duart e Mbretëreshës Victoria titullin e bashkëmoshatarit dhe Lord Kelvin (a është i njohur ky emër për ju? - E.U.), dhe tashmë kryetari i shoqatës, filloi fjalimin e Vitit të Ri. Fizikani i madh i shekullit XIX vuri në dukje sukseset e arritura gjatë shekullit të kaluar, renditi meritat e të pranishmëve...

Të mbledhurit tundin kokën në shenjë miratimi. Për të qenë modest, ata bënë një punë të mirë. Dhe Sir William kishte të drejtë kur tha se godina madhështore e fizikës ishte ndërtuar, se kishin mbetur vetëm punë të vogla përfundimtare.

E vërtetë (Lord Kelvin e ndërpreu fjalën për një çast), në horizontin pa re të fizikës ka dy re të vogla, dy probleme që nuk kanë gjetur ende një shpjegim nga këndvështrimi i fizikës klasike... Por këto dukuri janë të përkohshme dhe kalimtare. Të vendosur me qetësi në karriget antike me shpinë të lartë, zotërinjtë buzëqeshën. Të gjithë e dinin se për çfarë po flisnim:

1) fizika klasike nuk mund të shpjegonte eksperimentet e Michelson, të cilat nuk përcaktuan ndikimin e lëvizjes së Tokës në shpejtësinë e dritës. Në të gjitha sistemet e referencës (si në lëvizje ashtu edhe në pushim në lidhje me Tokën), shpejtësia e dritës është e njëjtë - 300,000 km/s;

2) fizika klasike nuk mund të shpjegonte grafikun e rrezatimit të trupit të zi të marrë eksperimentalisht.

Sir William as që mund ta imagjinonte se çfarë lloj rrufeje do të godiste së shpejti nga këto re! Duke parë përpara, do të them: zgjidhja e problemit të parë do të çojë në një rishikim të ideve klasike për hapësirën dhe kohën, në krijimin e teorisë së relativitetit; zgjidhja e problemit të dytë do të çojë në krijimin e një teorie të re. - kuantike. Kjo është zgjidhja e problemit të dytë që do të diskutohet në mësimin e sotëm!

IV. (Nxënësit bëjnë shënime në fletoret e tyre: Data Mësimi nr. Tema e mësimit: “Origjina e fizikës kuantike”.) Në kapërcyellin e shekujve 19 dhe 20. Një problem u ngrit në fizikë që duhej zgjidhur urgjentisht: një shpjegim teorik i grafikut të rrezatimit të një trupi absolutisht të zi. Çfarë është një trup i zi perfekt? ( Hipotezat e nxënësve. Demonstrimi i videoklipit “Rrezatimi termik” .)

Mësues. Shkruani: "Një trup plotësisht i zi është një trup i aftë të përthithë pa reflektim të gjithë fluksin rënës të rrezatimit, të gjitha valët elektromagnetike të çdo gjatësi vale (çdo frekuencë).

Por trupat absolutisht të zinj kanë një veçori më shumë. Mos harroni pse njerëzit me lëkurë të zezë jetojnë në territoret ekuatoriale? "Trupat e zinj, nëse nxehen, do të shkëlqejnë më shumë se çdo trup tjetër, domethënë, ata lëshojnë energji në të gjitha intervalet e frekuencave," shkruani këtë në fletoret tuaja.

Shkencëtarët kanë përcaktuar në mënyrë eksperimentale spektrin e rrezatimit të një trupi krejtësisht të zi. ( Vizaton një grafik.) Rν - dendësia spektrale e shkëlqimit energjetik - energjia e rrezatimit elektromagnetik të emetuar për njësi të kohës nga një sipërfaqe njësi e një trupi në një interval frekuence njësi ν. Teoria e fushës elektromagnetike e Maxwell-it parashikoi ekzistencën e valëve elektromagnetike, por kurba teorike e rrezatimit të trupit të zi e ndërtuar në bazë të kësaj teorie kishte një mospërputhje me kurbën eksperimentale në rajonin e frekuencës së lartë. Për problemin punuan mendjet më të mira të asaj kohe: Lordi anglez Rayleigh dhe J. Jeans, gjermanët P. Kirchhoff dhe V. Wien, profesori i Moskës V.A. Mikhelson. Asgjë nuk funksionoi!

Ofroni një rrugëdalje nga situata aktuale. Kurba teorike ndryshon nga ajo eksperimentale. Si të jesh dhe çfarë të bësh? ( Nxënësit shprehin hipoteza: kryejnë eksperimente me më shumë kujdes - kanë bërë, rezultati është i njëjtë; ndryshoni teorinë - por kjo është një fatkeqësi, i gjithë themeli i fizikës klasike, i cili u krijua gjatë mijëra viteve, shembet!) Situata e krijuar në fizikë quhej fatkeqësi ultravjollcë.

Shkruani: "Metodat e fizikës klasike doli të ishin të pamjaftueshme për të shpjeguar rrezatimin e një trupi plotësisht të zi në rajonin e frekuencës së lartë - ishte një "katastrofë ultravjollcë".

Kush mund ta marrë me mend pse u emërua kjo krizë katastrofa ultravjollcë, dhe jo infra të kuqe apo vjollcë? Ka shpërthyer një krizë në fizikë! Fjala greke krizë [ një krizë] tregojnë një kalim të vështirë nga një gjendje e qëndrueshme në tjetrën. Problemi duhej zgjidhur dhe zgjidhej urgjentisht!

V.Mësues. Dhe kështu më 19 tetor 1900, në një takim të Shoqërisë Fizike, shkencëtari gjerman M. Planck propozoi përdorimin e formulës për të llogaritur rrezatimin e një trupi absolutisht të zi. E = hν. Miku dhe kolegu i Planck-ut, Heinrich Rubens, u ul në tavolinën e tij gjatë gjithë natës, duke krahasuar matjet e tij me rezultatet e dhëna nga formula e Planck-ut dhe u mahnit: formula e mikut të tij përshkruante spektrin e rrezatimit të një trupi absolutisht të zi deri në detajet më të vogla! Pra, formula e Planck eliminoi "katastrofën ultravjollcë", por me çfarë kostoje! Planck propozoi, në kundërshtim me pikëpamjet e vendosura, të konsiderohej se emetimi i energjisë rrezatuese nga atomet e materies ndodh në mënyrë diskrete, domethënë, në pjesë, kuante. "Quantum" ( sasi) përkthyer nga latinishtja do të thotë thjesht sasi .

Çfarë do të thotë "diskrete"? Le të bëjmë një eksperiment mendimi. Imagjinoni sikur keni një kavanoz plot me ujë në duar. A është e mundur të hidhet gjysma? Po të pish një gllënjkë? Dhe akoma më pak? Në parim, është e mundur të zvogëlohet ose të rritet masa e ujit me një sasi të vogël arbitrare. Tani le të imagjinojmë se kemi në duar një kuti me kubikë për fëmijë prej 100 g secila. A është e mundur të zvogëloni, për shembull, 370 g? Jo! Ju nuk mund t'i thyeni kubet! Prandaj, masa e kutisë mund të ndryshojë në mënyrë diskrete, vetëm në porcione që janë shumëfish të 100 g! Mund të quhet sasia më e vogël me të cilën mund të ndryshohet masa e kutisë porcion, ose kuantike e masës.

Kështu, një rrjedhë e vazhdueshme e energjisë nga një trup i zi i ndezur u shndërrua në një "shpërthim mitraloz" të pjesëve të veçanta - kuantet e energjisë. Nuk do të dukej asgjë e veçantë. Por në fakt, kjo nënkuptonte shkatërrimin e të gjithë ndërtesës së ndërtuar në mënyrë të shkëlqyer të fizikës klasike, pasi në vend të ligjeve themelore themelore të ndërtuara mbi parimin e vazhdimësisë, Planck propozoi parimin e diskretit. Vetë Planck nuk i pëlqente ideja e diskretitetit. Ai u përpoq të formulonte teorinë në mënyrë që ajo të përshtatej tërësisht në kuadrin e fizikës klasike.

Por ishte një person që, përkundrazi, shkoi edhe më me vendosmëri përtej kufijve të ideve klasike. Ky njeri ishte A. Ajnshtajni. Që të kuptoni natyrën revolucionare të pikëpamjeve të Ajnshtajnit, do të them vetëm se, duke përdorur idenë e Planck, ai hodhi themelet për teorinë e lazerëve (gjeneruesit kuantikë) dhe parimin e përdorimit të energjisë atomike.

Akademiku S.I. Për një kohë shumë të gjatë, Vavilov nuk mund të mësohej me idenë e dritës si një substancë kuante, por ai u bë një admirues i zjarrtë i kësaj hipoteze dhe madje doli me një mënyrë për të vëzhguar kuantet. Ai llogariti se syri është në gjendje të dallojë ndriçimin e krijuar nga 52 kuanta të dritës jeshile.

Pra, sipas Planck-ut, drita është... ( deklaratat e nxënësve).

VI. Mësues. A nuk ju kujton hipoteza e Planck-ut hipotezën tashmë të njohur për natyrën e dritës? Sir Isaac Newton propozoi të konsiderohej drita si e përbërë nga grimca të vogla - trupa. Çdo trup i ndritshëm i lëshon ato në të gjitha drejtimet. Ata fluturojnë në vija të drejta dhe nëse na godasin sytë, ne shohim burimin e tyre. Çdo ngjyrë korrespondon me korpuskulat e veta dhe ato ndryshojnë, ka shumë të ngjarë, në atë që kanë masa të ndryshme. Rrjedha e kombinuar e korpuskulave krijon dritë të bardhë.

Në kohën e Sir Isak Njutonit, fizika quhej filozofi natyrore. Pse? Lexoni (shih Shtojcën 2) një nga ligjet bazë të dialektikës - ligjin e mohimit të mohimit. Provoni ta zbatoni atë në çështjen e natyrës së dritës. ( Arsyetimi i nxënësve.)

Pra, sipas hipotezës së M. Planck-ut, drita është një rrymë grimcash, trupash, kuantesh, secila prej të cilave ka energji. E = hν. Ju lutemi analizoni këtë formulë: çfarë është ν? cfare ndodhi h (një nga studentët do të sugjerojë patjetër që kjo është një lloj konstante, e quajtur sipas Planck)? Cila është njësia e konstantës së Plankut? sa eshte vlera e konstantes ( duke punuar me tabelën e konstantave fizike)? Cili është emri i konstantës së Plankut? Cili është kuptimi fizik i konstantës së Plankut?

Për të vlerësuar bukurinë e formulës së Planck-ut, le t'i drejtohemi problemeve... biologjisë. I ftoj studentët t'u përgjigjen pyetjeve nga fusha e biologjisë (Shtojca 3).

Mekanizmi i shikimit. Nëpërmjet vizionit ne marrim rreth 90% të informacionit për botën. Prandaj, çështja e mekanizmit të vizionit i ka interesuar gjithmonë njerëzit. Pse syri i njeriut, dhe në të vërtetë shumica e banorëve të Tokës, percepton vetëm një gamë të vogël valësh nga spektri i rrezatimit elektromagnetik që ekziston në natyrë? Po sikur një person të kishte vizion infra të kuqe, për shembull, si gjarpërinjtë e gropës?

Natën do të shihnim, si ditën, të gjithë trupat organikë, sepse temperatura e tyre ndryshon nga temperatura e trupave të pajetë. Por burimi më i fuqishëm i rrezeve të tilla për ne do të ishte vetë trupi ynë. Nëse syri është i ndjeshëm ndaj rrezatimit infra të kuq, drita e Diellit thjesht do të zhduket për ne në sfondin e rrezatimit të vet. Nuk do të shihnim asgjë, sytë tanë do të ishin të kotë.

Pse sytë tanë nuk reagojnë ndaj dritës infra të kuqe? Le të llogarisim energjinë e kuanteve të dritës infra të kuqe dhe të dukshme duke përdorur formulën:

Energjia e kuanteve IR është më e vogël se energjia e kuanteve të dritës së dukshme. Disa kuanta nuk mund të "bashkohen" për të shkaktuar një veprim që është përtej fuqisë së një kuantike - në mikrobotë ekziston një ndërveprim një-në-një midis një kuantike dhe një grimce. Vetëm një sasi e dritës së dukshme, e cila ka një energji më të madhe se ajo e dritës infra të kuqe, mund të shkaktojë një reaksion në molekulën e rodopsinës, d.m.th., shufrën e retinës. Efekti i një kuantike të dritës së dukshme në retinë mund të krahasohet me ndikimin e një topi tenisi, i cili lëvizi... një ndërtesë shumëkatëshe. (Ndjeshmëria e retinës është kaq e lartë!)

Pse syri nuk reagon ndaj rrezatimit ultravjollcë? Rrezatimi UV është gjithashtu i padukshëm për syrin, megjithëse energjia e kuanteve UV është shumë më e madhe se ajo e kuanteve të dritës së dukshme. Retina është e ndjeshme ndaj rrezeve UV, por ato përthithen nga thjerrëzat, përndryshe do të kishin një efekt shkatërrues.

Në procesin e evolucionit, sytë e organizmave të gjallë janë përshtatur për të perceptuar energjinë e rrezatimit nga burimi më i fuqishëm në Tokë - Dielli - dhe pikërisht ato valë që përbëjnë energjinë maksimale të rrezatimit diellor që bie në Tokë.

Fotosinteza. Në bimët e gjelbra, procesi përmes të cilit të gjitha gjallesat marrin oksigjen për frymëmarrje dhe ushqim nuk ndalet për asnjë sekondë. Kjo është fotosinteza. Gjethi ka një ngjyrë të gjelbër për shkak të pranisë së klorofilit në qelizat e saj. Reaksionet e fotosintezës ndodhin nën ndikimin e rrezatimit në pjesën e kuqe-vjollcë të spektrit, dhe valët me një frekuencë që korrespondon me pjesën e gjelbër të spektrit reflektohen, kështu që gjethet kanë një ngjyrë të gjelbër.

Molekulat e klorofilit janë "përgjegjëse" për procesin unik të shndërrimit të energjisë së dritës në energji të substancave organike. Fillon me thithjen e një sasie drite nga një molekulë klorofile. Thithja e një sasie drite çon në reaksione kimike të fotosintezës, të cilat përfshijnë shumë njësi.

Gjatë gjithë ditës, molekulat e klorofilit "janë të zëna" me faktin se, pasi kanë marrë një kuant, ata përdorin energjinë e tij, duke e kthyer atë në energjinë potenciale të një elektroni. Veprimi i tyre mund të krahasohet me veprimin e një mekanizmi që ngre një top në një shkallë. Duke rrokullisur hapat, topi humbet energjinë e tij, por nuk zhduket, por shndërrohet në energjinë e brendshme të substancave të formuara gjatë fotosintezës.

Molekulat e klorofilit "punojnë" vetëm gjatë orëve të ditës, kur drita e dukshme i godet ato. Natën ata "pushojnë", përkundër faktit se nuk ka mungesë të rrezatimit elektromagnetik: toka dhe bimët lëshojnë dritë infra të kuqe, por energjia e kuanteve në këtë varg është më e vogël se ajo e nevojshme për fotosintezën. Në procesin e evolucionit, bimët janë përshtatur për të grumbulluar energjinë e burimit më të fuqishëm të energjisë në Tokë - Diellit.

Trashëgimia.(Nxënësit u përgjigjen pyetjeve 1–3 nga Shtojca 3, kartela “Trashëgimia”). Karakteristikat trashëgimore të organizmave janë të koduara në molekulat e ADN-së dhe transmetohen nga brezi në brez në një mënyrë matrice. Si të shkaktohet një mutacion? Nën ndikimin e cilit rrezatim ndodh procesi i mutacionit?

Për të shkaktuar një mutacion të vetëm, është e nevojshme t'i jepet energji molekulës së ADN-së, e mjaftueshme për të ndryshuar strukturën e një pjese të gjenit të ADN-së. Dihet se γ-kuantet dhe rrezet X, siç thonë biologët, shumë mutagjene– kuantet e tyre mbajnë energji të mjaftueshme për të ndryshuar strukturën e një seksioni të ADN-së. Rrezatimi IR, dhe me sa duket, nuk mund të bëjë një veprim të tillë; frekuenca e tyre, dhe për rrjedhojë energjia e tyre, është shumë e ulët. Tani, nëse energjia e fushës elektromagnetike do të absorbohej jo në pjesë, por vazhdimisht, atëherë këto rrezatime do të ishin në gjendje të ndikonin në ADN, sepse në lidhje me qelizat e tij riprodhuese, vetë organizmi është burimi më i afërt dhe më i fuqishëm, që vepron vazhdimisht. rrezatimi.

Nga fillimi i viteve 30. shekulli XX Falë sukseseve të mekanikës kuantike, fizikanët patën një ndjenjë të një fuqie të tillë saqë iu drejtuan vetë jetës. Kishte shumë ngjashmëri në gjenetikë. Biologët kanë zbuluar një grimcë diskrete të pandashme - një gjen - që mund të lëvizë nga një gjendje në tjetrën. Ndryshimet në konfigurimin e gjeneve shoqërohen me ndryshime në kromozome, gjë që shkakton mutacione dhe kjo rezultoi e mundur të shpjegohej në bazë të koncepteve kuantike. Një nga themeluesit e biologjisë molekulare, i cili mori çmimin Nobel për kërkime në fushën e proceseve të mutacionit në baktere dhe bakteriofagë, ishte fizikani teorik gjerman M. Delbrück. Në vitin 1944, u botua një libër i shkurtër nga fizikani E. Schrödinger, "Çfarë është jeta?". Ai dha një paraqitje të qartë dhe koncize të bazave të gjenetikës dhe zbuloi lidhjen midis gjenetikës dhe mekanikës kuantike. Libri i dha shtysë sulmit të fizikantëve ndaj gjenit. Falë punës së fizikantëve amerikanë J. Watson, F. Crick, M. Wilkins, biologët mësuan se si "strukturohet" molekula më themelore "e gjallë", ADN-ja. Analiza e difraksionit me rreze X bëri të mundur shikimin e saj.

VII. Mësues. I kthehem pyetjes: çfarë është drita? ( Përgjigjet nxënësi.) Rezulton se fizika u kthye te grimca e dritës Njutoniane - trupi - duke hedhur poshtë idenë e dritës si valë? Jo! Është e pamundur të kapërcehet e gjithë trashëgimia e teorisë së valës së dritës! Në fund të fundit, difraksioni, interferenca dhe shumë dukuri të tjera janë njohur prej kohësh, të cilat në mënyrë eksperimentale konfirmojnë se drita është valë. Cfare duhet te bej? ( Hipotezat e nxënësve.)

Mbetet vetëm një gjë: të kombinohen disi valët me grimcat. Njohni se ekziston një rreth fenomenesh ku drita shfaq vetitë valore dhe ka një rreth tjetër në të cilin esenca korpuskulare e dritës vjen e para. Me fjalë të tjera - shkruani! – drita ka dualiteti i valëve kuantike! Kjo është natyra e dyfishtë e dritës. Ishte shumë e vështirë për fizikantët të kombinonin dy ide të papajtueshme deri tani në një. Një grimcë është diçka e ngurtë, e pandryshueshme, me një madhësi të caktuar, e kufizuar në hapësirë. Vala është diçka e rrjedhshme, e paqëndrueshme, pa kufij të qartë. Pak a shumë qartë, këto ide u lidhën duke përdorur konceptin e një pakete valësh. Kjo është diçka si një valë "e prerë" në të dy skajet, ose më mirë, një tufë valësh që udhëtojnë nëpër hapësirë si një e tërë e vetme. Mpiksja mund të tkurret ose shtrihet në varësi të mjedisit ku hyn. I ngjan një burimi fluturues.

Cila karakteristikë e paketës valore ndryshon kur drita kalon nga një medium në tjetrin? ( Përgjigjet nxënësi.)

Në vitin 1927, fizikani amerikan Lewis propozoi ta quante këtë paketë valësh foton(nga greqishtja φωτóς [phos, foto] – ) . Çfarë është një foton? ( Nxënësit punojnë me tekstin dhe nxjerrin përfundime.)

konkluzione. Një foton është: një sasi e rrezatimit elektromagnetik; një grimcë pa masë; një foton në qetësi nuk ekziston; një grimcë që lëviz në vakum me shpejtësinë e dritës c= 3 10 8 m/s është një tërësi e vetme dhe e pandashme, ekzistenca e një pjese të pjesshme të një fotoni është e pamundur; një grimcë me energji E = hν, ku h= 6,63 · 10 -34 J · s; ν është frekuenca e dritës; një grimcë me momentum është një grimcë elektrike neutrale.

Bota është e strukturuar në atë mënyrë që drita më shpesh na tregon një natyrë valore, derisa të marrim parasysh ndërveprimin e saj me materien. Dhe materia shfaqet para nesh në formë korpuskulare, derisa të fillojmë të marrim parasysh natyrën e lidhjeve ndëratomike, proceset e transferimit, rezistencën elektrike, etj. Por pavarësisht nga pozicioni ynë në çdo moment, një mikrogrimcë i ka të dyja vetitë.

Procesi i krijimit të teorisë kuantike dhe, në veçanti, teorisë kuantike të dritës është thellësisht dialektik. Idetë dhe imazhet e mekanikës dhe optikës së vjetër klasike, të pasuruara me ide të reja, të aplikuara në mënyrë krijuese në realitetin fizik, në fund të fundit krijuan një teori fizike thelbësisht të re.

Ushtrimi: Lexoni ligjin filozofik të unitetit dhe luftës së të kundërtave dhe nxirrni një përfundim në lidhje me dy teoritë e dritës: teoritë valore dhe kuantike të dritës.

VIII. Mësues. Në vitin 1924, fizikani francez Louis de Broglie (ish operator radiotelegraf ushtarak) shprehu mendime krejtësisht paradoksale, madje edhe për fizikantët e guximshëm të asaj kohe, për natyrën e lëvizjes së grimcave atomike. De Broglie sugjeroi se vetitë e elektroneve dhe grimcave të tjera, në parim, nuk janë të ndryshme nga vetitë e kuanteve! Nga kjo rrjedh që elektronet dhe grimcat e tjera duhet gjithashtu të shfaqin veti valore, që, për shembull, duhet të vëzhgohet difraksioni i elektroneve. Dhe vërtet u zbulua në eksperimente që në vitin 1927, në mënyrë të pavarur nga njëri-tjetri, u kryen nga fizikanët amerikanë K.-J. Davisson dhe L. Germer, fizikanti sovjetik P.S. Tartakovsky dhe fizikani anglez J.-P. Tomson. Gjatësia e valës de Broglie llogaritet duke përdorur formulën:

Le të zgjidhim problemet për llogaritjen e gjatësisë valore të de Broglie (Shtojca 4).

Siç tregojnë llogaritjet, një elektron valence që lëviz brenda një atomi me një shpejtësi prej 0.01 Me, difraktohet në një rrjetë kristalore jonike si një valë me gjatësi vale ~10 -10 m, dhe gjatësia e valës së një plumbi që fluturon me shpejtësi rreth 500 m/s është rreth 10 -34 m. Një gjatësi vale kaq e vogël nuk mund të regjistrohet në çdo mënyrë, dhe për këtë arsye plumbi sillet si një grimcë e vërtetë.

Lufta midis ideve të diskretitetit dhe vazhdimësisë së materies, e cila u zhvillua që në fillimet e shkencës, përfundoi me bashkimin e të dy ideve në idenë e vetive të dyfishta të grimcave elementare. Përdorimi i vetive valore të elektroneve ka bërë të mundur rritjen e ndjeshme të rezolucionit të mikroskopëve. Gjatësia e valës së elektronit varet nga shpejtësia, dhe rrjedhimisht nga tensioni që përshpejton elektronet (shih problemin 5 në shtojcën 4). Në shumicën e mikroskopëve elektronikë, gjatësia e valës de Broglie është qindra herë më e vogël se gjatësia e valës së dritës. U bë e mundur të shiheshin objekte edhe më të vogla, deri në molekula të vetme.

Lindi mekanika valore, baza e ndërtesës së madhe të fizikës kuantike. De Broglie hodhi themelet për teorinë e ndërhyrjes dhe difraksionit të dritës, dha një derivim të ri të formulës së Plankut dhe vendosi një korrespondencë të thellë midis lëvizjes së grimcave dhe valëve të lidhura me to.

Gjatë studimit të ndonjë teorie, ne gjithmonë kemi vërejtur kufijtë e zbatueshmërisë së kësaj teorie. Kufijtë e zbatueshmërisë së teorisë kuantike nuk janë vendosur ende, por ligjet e saj duhet të zbatohen për të përshkruar lëvizjen e mikrogrimcave në zona të vogla të hapësirës dhe në frekuenca të larta të valëve elektromagnetike, kur instrumentet matëse bëjnë të mundur regjistrimin e kuanteve individuale (energjia ~ 10 -16 J). Kështu, për të përshkruar bashkëveprimin e materies dhe rrezatimit me rreze X, energjia e kuanteve të së cilës është dy rend të madhësisë më e madhe se kufiri i vendosur më sipër, është e nevojshme të zbatohen ligjet e fizikës kuantike dhe të përshkruhen vetitë e valët e radios, ligjet e elektrodinamikës klasike janë mjaft të mjaftueshme. Duhet mbajtur mend se " terreni kryesor i provës" për teorinë kuantike është fizika e atomit dhe bërthamës atomike.

Në përfundim të mësimit të sotëm, ju bëj edhe një herë pyetjen: çfarë është drita? ( Përgjigjet nxënësi.)

Letërsia

Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fizika. Klasa e 11-të: arsimore. për institucionet e arsimit të përgjithshëm: bazë dhe profesional. nivelet. M.: Arsimi, 2009.
Video enciklopedi për edukimin publik. Lennauchfilm. Video studio "Kvart". [Burimi elektronik] Kaseta nr. 2 “Rrezatimi termik”.
Tomilin A.N. Në kërkim të origjinës: shkencore-pop. botim. L.: Det. letërsi, 1990.
Mekanika kuantike. Elektrodinamika kuantike // Encycl. sl. fizikan i ri / Komp. V.A. Çujanov. M.: Pedagogji, 1984.
Koltun M. Bota e Fizikës. M.: Det. letërsi, 1984.
Solopov E.F. Filozofia: tekst shkollor. ndihmë për studentët më të larta teksti shkollor ndërmarrjet. M.: Vlados, 2003.
Ilchenko V.R. Udhëkryq i fizikës, kimisë, biologjisë: libër. për studentët. M.: Arsimi, 1986.
Katz Ts.B. Biofizika në mësimet e fizikës: libër. për mësuesin. M.: Arsimi, 1988.

Elena Stepanovna Uvitskaya– mësues i fizikës i kategorisë më të lartë të kualifikimit, i diplomuar në Institutin Pedagogjik Shtetëror Tula me emrin. L.N. Tolstoy në 1977 dhe u caktua në Urale, në qytetin e vogël industrial të Lysva, ku ajo punon ende. Punëtor nderi i arsimit të përgjithshëm të Federatës Ruse, fitues i konkursit gjithë-rus për mësuesit e fizikës dhe matematikës (Fondacioni Dinastia). Të diplomuarit kanë kaluar me sukses Provimin e Unifikuar të Shtetit për shumë vite dhe kanë hyrë në universitetet në Moskë, Shën Petersburg, Yekaterinburg dhe Perm. Një herë, pasi lexova për Tabletën Emerald, u mahnita nga rëndësia aktuale e idesë së Hermesit legjendar: çdo gjë, objekt, proces në Universin tonë mbart tiparet e njëri-tjetrit dhe të një tërësie të vetme. Që atëherë, ai i ka kushtuar vëmendje të madhe lidhjeve dhe analogjive ndërdisiplinore: fizikës dhe biologjisë, fizikës dhe matematikës, fizikës dhe letërsisë, dhe tani fizikës dhe gjuhës angleze. Ai është i angazhuar në punë shkencore me nxënës, veçanërisht në shkollën fillore: ku jeton energjia elektrike? Pse uji i zakonshëm është kaq i pazakontë? Si është, bota misterioze e yjeve? Familja ka dy djem, të dy të diplomuar në Universitetin Teknik Shtetëror të Permit. Juniori është inxhinier, i moshuari është mësues karate-do, ka një rrip të zi, dan i dytë, kampion i shumëfishtë i Rusisë, pjesëmarrës në Kampionatin Botëror në Japoni. Suksesi i mësueses do të ishte i pamundur pa ndihmën e bashkëshortit të saj, një inxhinier elektrik duke u trajnuar: zhvillimi dhe kryerja e eksperimenteve, krijimi i pajisjeve të reja dhe thjesht mbështetje dhe këshilla që ndihmojnë në situata të ndryshme jetësore.

Të gjitha aplikacionet janë dhënë në. - Ed.

Roli i teorisë së Maxwell u shpreh më së miri nga fizikani i famshëm Robert Feynman: “Në historinë e njerëzimit (nëse e shikojmë atë, le të themi, 10,000 vjet nga tani), ngjarja më domethënëse e shekullit të 19-të do të jetë padyshim zbulimi i Maxwell-it ligjet e elektrodinamikës. Në sfondin e këtij zbulimi të rëndësishëm shkencor, Lufta Civile Amerikane në të njëjtën dekadë do të duket si një incident i vogël provincial.”

Planck hezitoi për një kohë të gjatë nëse do të zgjidhte shkencat humane apo fizikën. Të gjitha veprat e Planck-ut dallohen për hirin dhe bukurinë. A. Ajnshtajni shkroi për to: “Kur studion veprat e tij, të krijohet përshtypja se kërkesa e mjeshtërisë është një nga burimet kryesore të krijimtarisë së tij”.

Shfaqja dhe zhvillimi i teorisë kuantike çoi në një ndryshim në idetë klasike rreth strukturës së materies, lëvizjes, shkakësisë, hapësirës, kohës, natyrës së njohjes, etj., Të cilat kontribuan në një transformim rrënjësor të pamjes së botës. Kuptimi klasik i një grimce materiale karakterizohej nga ndarja e saj e mprehtë nga mjedisi, zotërimi i lëvizjes dhe vendndodhjes së saj në hapësirë. Në teorinë kuantike, një grimcë filloi të përfaqësohej si një pjesë funksionale e sistemit në të cilin përfshihet, duke mos pasur koordinata dhe momentum. Në teorinë klasike, lëvizja konsiderohej si transferimi i një grimce, duke mbetur identike me vetveten, përgjatë një trajektoreje të caktuar. Natyra e dyfishtë e lëvizjes së grimcave bëri të nevojshme braktisjen e një paraqitjeje të tillë të lëvizjes. Determinizmi klasik (dinamik) ia la vendin determinizmit probabilist (statistikor). Nëse më parë e tëra kuptohej si shuma e pjesëve përbërëse të saj, atëherë teoria kuantike zbuloi varësinë e vetive të një grimce nga sistemi në të cilin përfshihet. Kuptimi klasik i procesit njohës shoqërohej me njohjen e një objekti material si ekzistues në vetvete. Teoria kuantike demonstroi varësinë e njohurive për një objekt nga procedurat e kërkimit. Nëse teoria klasike pretendonte të ishte e plotë, atëherë teoria kuantike që në fillim u shpalos si e paplotë, bazuar në një sërë hipotezash, kuptimi i të cilave në fillim ishte larg të qenit i qartë, dhe për këtë arsye dispozitat e saj kryesore morën interpretime të ndryshme, interpretime të ndryshme. .
Mosmarrëveshjet u shfaqën kryesisht në lidhje me kuptimin fizik të dualitetit të mikrogrimcave. De Broglie parashtroi fillimisht konceptin e një valë pilot, sipas të cilit një valë dhe një grimcë bashkëjetojnë, vala që udhëheq grimcën. Një formacion i vërtetë material që ruan qëndrueshmërinë e tij është një grimcë, pasi është ajo që ka energji dhe vrull. Vala që bart grimcën kontrollon natyrën e lëvizjes së grimcave. Amplituda e valës në çdo pikë të hapësirës përcakton probabilitetin e lokalizimit të një grimce afër kësaj pike. Schrödinger në thelb zgjidh problemin e dualitetit të grimcave duke e hequr atë. Për të, grimca vepron si një formacion thjesht valë. Me fjalë të tjera, një grimcë është vendndodhja e valës në të cilën është përqendruar energjia më e madhe e valës. Interpretimet e de Broglie dhe Schrödinger ishin në thelb përpjekje për të krijuar modele vizuale në frymën e fizikës klasike. Megjithatë, kjo doli të ishte e pamundur.
Heisenberg propozoi një interpretim të teorisë kuantike bazuar (siç tregohet më parë) në faktin se fizika duhet të përdorë vetëm koncepte dhe sasi të bazuara në matje. Prandaj, Heisenberg braktisi paraqitjen vizuale të lëvizjes së një elektroni në një atom. Makropajisjet nuk mund të përshkruajnë lëvizjen e një grimce ndërsa regjistrojnë njëkohësisht momentin dhe koordinatat (d.m.th., në kuptimin klasik) për shkak të kontrollueshmërisë thelbësisht jo të plotë të ndërveprimit të pajisjes me grimcën - për shkak të marrëdhënies së pasigurisë, matja e momentit nuk e bën atë të jetë e mundur për të përcaktuar koordinatat dhe anasjelltas. Me fjalë të tjera, për shkak të pasaktësisë themelore të matjeve, parashikimet e teorisë mund të jenë vetëm probabiliste në natyrë, dhe probabiliteti është pasojë e paplotësisë themelore të informacionit rreth lëvizjes së grimcës. Kjo rrethanë çoi në përfundimin për kolapsin e parimit të shkakësisë në kuptimin klasik, i cili supozonte parashikimin e vlerave të sakta të momentit dhe koordinatave. Në kuadrin e teorisë kuantike, pra, nuk po flasim për gabime në vëzhgim apo eksperiment, por për një mungesë themelore njohurie, e cila shprehet duke përdorur funksionin e probabilitetit.
Interpretimi i Heisenberg për teorinë kuantike u zhvillua nga Bohr dhe u bë i njohur si interpretimi i Kopenhagës. Në kuadër të këtij interpretimi, pozicioni kryesor i teorisë kuantike është parimi i komplementaritetit, që nënkupton kërkesën për të përdorur klasa reciproke ekskluzive të koncepteve, instrumenteve dhe procedurave kërkimore, të cilat përdoren në kushtet e tyre specifike dhe plotësojnë njëra-tjetrën, për të përftuar. një pamje holistike e objektit në studim në procesin e njohjes. Ky parim i ngjan marrëdhënies së pasigurisë së Heisenberg. Nëse po flasim për përcaktimin e momentit dhe koordinatave si procedura hulumtuese reciproke ekskluzive dhe plotësuese, atëherë ka arsye për identifikimin e këtyre parimeve. Megjithatë, kuptimi i parimit të komplementaritetit është më i gjerë se marrëdhëniet e pasigurisë. Për të shpjeguar qëndrueshmërinë e atomit, Bohr kombinoi konceptet klasike dhe kuantike të lëvizjes së elektroneve në një model. Parimi i komplementaritetit, pra, lejoi që idetë klasike të plotësoheshin me ato kuantike. Pasi kishte identifikuar kundërshtimin midis vetive valore dhe korpuskulare të dritës dhe duke mos gjetur unitetin e tyre, Bohr ishte i prirur të mendonte për dy metoda përshkrimi që janë ekuivalente me njëra-tjetrën - valë dhe korpuskulare - me kombinimin e tyre të mëvonshëm. Pra, është më e saktë të thuhet se parimi i komplementaritetit është një zhvillim i relacionit të pasigurisë që shpreh marrëdhënien midis koordinatës dhe momentit.
Një numër shkencëtarësh e kanë interpretuar shkeljen e parimit të determinizmit klasik brenda kornizës së teorisë kuantike në favor të indeternizmit. Në realitet, këtu parimi i determinizmit ndryshoi formën e tij. Në kuadrin e fizikës klasike, nëse në momentin fillestar dihen pozicionet dhe gjendja e lëvizjes së elementeve të sistemit, është e mundur të parashikohet plotësisht pozicioni i tij në çdo moment të ardhshëm. Të gjitha sistemet makroskopike i nënshtroheshin këtij parimi. Edhe në rastet kur ishte e nevojshme të futeshin probabilitetet, gjithmonë supozohej se të gjitha proceset elementare ishin rreptësisht deterministe dhe se vetëm numri i tyre i madh dhe sjellja e çrregullt e detyronin njeriun t'i drejtohej metodave statistikore. Në teorinë kuantike situata është thelbësisht e ndryshme. Për të zbatuar parimet e deterternizimit, është e nevojshme të njihen koordinatat dhe momentet, dhe kjo është e ndaluar nga relacioni i pasigurisë. Përdorimi i probabilitetit këtu ka një kuptim tjetër në krahasim me mekanikën statistikore: nëse në mekanikën statistikore probabilitetet përdoreshin për të përshkruar fenomene në shkallë të gjerë, atëherë në teorinë kuantike, probabilitetet, përkundrazi, futen për të përshkruar vetë proceset elementare. E gjithë kjo do të thotë se në botën e trupave në shkallë të gjerë vepron parimi dinamik i kauzalitetit, dhe në mikrobotë - parimi probabilistik i kauzalitetit.
Interpretimi i Kopenhagës presupozon, nga njëra anë, një përshkrim të eksperimenteve në aspektin e fizikës klasike dhe nga ana tjetër, njohjen e këtyre koncepteve që nuk korrespondojnë saktësisht me gjendjen aktuale të punëve. Është kjo mospërputhje që përcakton probabilitetin e teorisë kuantike. Konceptet e fizikës klasike përbëjnë një pjesë të rëndësishme të gjuhës natyrore. Nëse nuk i përdorim këto koncepte për të përshkruar eksperimentet që po kryejmë, atëherë nuk do të jemi në gjendje të kuptojmë njëri-tjetrin.
Ideali i fizikës klasike është objektiviteti i plotë i njohurive. Por në njohje ne përdorim instrumente, dhe në këtë mënyrë, siç thotë Heinserberg, një element subjektiv futet në përshkrimin e proceseve atomike, pasi instrumenti u krijua nga vëzhguesi. "Duhet të kujtojmë se ajo që vëzhgojmë nuk është vetë natyra, por natyra siç shfaqet përmes mënyrës sonë për të bërë pyetje. Puna shkencore në fizikë është të shtrojmë pyetje rreth natyrës në gjuhën që përdorim dhe të përpiqemi të marrim përgjigjen në një eksperiment. kryhet me ndihmën e mjeteve që kemi në dispozicion. Në këtë rast, kujtojmë fjalët e Bohr-it për teorinë kuantike: nëse kërkojmë harmoninë në jetë, nuk duhet të harrojmë kurrë se në lojën e jetës jemi në Është e qartë se në marrëdhënien tonë shkencore me natyrën, veprimtaria jonë bëhet e rëndësishme ku duhet të merremi me zona të natyrës që mund të depërtohen vetëm falë mjeteve teknike më të rëndësishme."
Gjithashtu doli të ishte e pamundur të përdoreshin konceptet klasike të hapësirës dhe kohës për të përshkruar fenomenet atomike. Ja çfarë shkroi për këtë një krijues tjetër i teorisë kuantike: "ekzistenca e kuantit të veprimit zbuloi një lidhje krejtësisht të papritur midis gjeometrisë dhe dinamikës: rezulton se mundësia e lokalizimit të proceseve fizike në hapësirën gjeometrike varet nga gjendja e tyre dinamike. teoria e përgjithshme e relativitetit tashmë na ka mësuar të marrim parasysh vetitë lokale të hapësirë-kohës në varësi të shpërndarjes së materies në univers. Megjithatë, ekzistenca e kuanteve kërkon një transformim shumë më të thellë dhe nuk na lejon më të përfaqësojmë lëvizjen e një fizike objekt përgjatë një linje të caktuar në hapësirë-kohë (vija botërore). Nuk është më e mundur të përcaktohet gjendja e lëvizjes bazuar në lakoren që përshkruan pozicionet e njëpasnjëshme të një objekti në hapësirë me kalimin e kohës. Tani duhet të marrim parasysh gjendjen dinamike jo si pasojë e lokalizimit hapësinor-kohor, por si një aspekt i pavarur dhe shtesë i realitetit fizik"
Diskutimet mbi problemin e interpretimit të teorisë kuantike zbuluan pyetjen e vetë statusit të teorisë kuantike - nëse është një teori e plotë e lëvizjes së mikrogrimcave. Pyetja u formulua fillimisht në këtë mënyrë nga Ajnshtajni. Pozicioni i tij u shpreh në konceptin e parametrave të fshehur. Ajnshtajni vazhdoi nga të kuptuarit e teorisë kuantike si një teori statistikore që përshkruan modele që lidhen me sjelljen jo të një grimce individuale, por të ansamblit të tyre. Çdo grimcë është gjithmonë e lokalizuar në mënyrë strikte dhe në të njëjtën kohë ka vlera të caktuara të momentit dhe koordinatave. Marrëdhënia e pasigurisë nuk pasqyron strukturën reale të realitetit në nivelin e mikroproceseve, por paplotësinë e teorisë kuantike - thjesht në nivelin e saj ne nuk kemi aftësinë për të matur njëkohësisht momentin dhe koordinimin, megjithëse ato ekzistojnë në të vërtetë, por si parametrat e fshehur (të fshehur në kuadrin e teorisë kuantike). Ajnshtajni e konsideroi përshkrimin e gjendjes së një grimce duke përdorur funksionin e valës si të paplotë, dhe për këtë arsye paraqiti teorinë kuantike në formën e një teorie jo të plotë të lëvizjes së një mikrogrimce.
Bohr në këtë diskutim mori pozicionin e kundërt, bazuar në njohjen e pasigurisë objektive të parametrave dinamikë të një mikrogrimce si arsye për natyrën statistikore të teorisë kuantike. Sipas mendimit të tij, mohimi i ekzistencës së sasive objektivisht të pasigurta nga ana e Ajnshtajnit i lë të pashpjeguara veçoritë valore të qenësishme në mikrogrimcë. Bohr e konsideroi të pamundur kthimin në konceptet klasike të lëvizjes së mikrogrimcave.
Në vitet 50 Në shekullin e 20-të, D. Bohm iu kthye konceptit të valës pilot të de Broglie, duke e paraqitur valën psi si një fushë reale të lidhur me një grimcë. Mbështetësit e interpretimit të Kopenhagës të teorisë kuantike dhe madje disa nga kundërshtarët e saj nuk e mbështetën pozicionin e Bohm, por ai kontribuoi në një përpunim më të thellë të konceptit të de Broglie: grimca filloi të konsiderohej si një formacion i veçantë që lind dhe lëviz në fusha psi, por ruan individualitetin e saj. Punimet e P. Vigier dhe L. Janosi, të cilët zhvilluan këtë koncept, u vlerësuan nga shumë fizikantë si shumë "klasike".
Në literaturën e brendshme filozofike të periudhës sovjetike, interpretimi i Kopenhagës i teorisë kuantike u kritikua për "përkushtimin ndaj qëndrimeve pozitiviste" në interpretimin e procesit të njohjes. Megjithatë, një numër autorësh mbrojtën vlefshmërinë e interpretimit të Kopenhagës të teorisë kuantike. Zëvendësimi i idealit klasik të njohurive shkencore me një jo klasik u shoqërua me të kuptuarit se vëzhguesi, duke u përpjekur të ndërtojë një pamje të një objekti, nuk mund të shpërqendrohet nga procedura e matjes, d.m.th. studiuesi nuk është në gjendje të matë parametrat e objektit që studiohet siç ishin përpara procedurës së matjes. W. Heisenberg, E. Schrödinger dhe P. Dirac vendosën parimin e pasigurisë si bazë të teorisë kuantike, në kuadrin e së cilës grimcat nuk kishin më moment dhe koordinata të përcaktuara dhe të pavarura. Kështu, teoria kuantike futi në shkencë një element të paparashikueshmërisë dhe rastësisë. Dhe megjithëse Ajnshtajni nuk mund të pajtohej me këtë, mekanika kuantike ishte në përputhje me eksperimentin, dhe për këtë arsye u bë baza e shumë fushave të dijes.

Ky plan është përshkruar më hollësisht në punën e njëmbëdhjetë ekspertëve të Bose et al - Ocean për faza të ndryshme të propozimit. Për shembull, në laboratorin e tij në Universitetin e Warwick, bashkëautori Gavin Morley po punon në hapin e parë, duke u përpjekur të vendosë një mikrodiamant në një mbivendosje kuantike në dy vende. Për ta bërë këtë, ai do të kufizojë një atom azoti në mikrodiamantin, pranë një vendi të lirë në strukturën e diamantit (e ashtuquajtura qendra NV, ose vakanca e zëvendësuar me azot në diamant), dhe do ta ngarkojë atë me një puls mikrovalë. Një elektron që rrotullohet rreth qendrës NV njëkohësisht thith dritën dhe jo, dhe sistemi shkon në një mbivendosje kuantike të dy drejtimeve të rrotullimit - lart e poshtë - si një majë që rrotullohet në drejtim të akrepave të orës me një probabilitet të caktuar dhe në të kundërt me një probabilitet të caktuar. Një mikrodiamant i ngarkuar me këtë rrotullim të mbivendosur i nënshtrohet një fushe magnetike që bën që rrotullimi i sipërm të lëvizë majtas dhe rrotullimi i poshtëm në të djathtë. Vetë diamanti ndahet në një mbivendosje të dy trajektoreve.

Pasi mikrodiamantet të bien krah për krah për tre sekonda - mjaftueshëm për t'u ngatërruar në gravitet - ata do të kalojnë nëpër një fushë tjetër magnetike, e cila përsëri do të rreshtojë degët e çdo mbivendosjeje. Hapi i fundit i eksperimentit është protokolli i dëshmitarit të ngatërresës i zhvilluar nga fizikanja daneze Barbara Theral dhe të tjerë: diamantet blu dhe të kuqe hyjnë në pajisje të ndryshme që matin drejtimet e rrotullimit të sistemeve qendrore NV. (Matja bën që superpozicionet të shemben në gjendje të caktuara.) Më pas, të dy rezultatet krahasohen. Duke kryer eksperimentin pa pushim dhe duke krahasuar shumë çifte matjesh rrotullimi, shkencëtarët mund të përcaktojnë nëse rrotullimet e dy sistemeve kuantike lidhen në të vërtetë më shpesh sesa kufiri i sipërm për objektet që nuk janë të ngatërruar mekanikisht kuantik. Nëse është kështu, graviteti në fakt ngatërron diamantet dhe mund të mbështesë mbivendosjet.

"Ajo që është interesante në lidhje me këtë eksperiment është se ju nuk keni nevojë të dini se çfarë është teoria kuantike," thotë Blencowe. "Gjithçka që nevojitet është të thuhet se ka një aspekt kuantik në këtë rajon që ndërmjetësohet nga forca midis dy grimcave."

Çfarë është unike për gravitetin?

Studiuesit e gravitetit kuantik nuk kanë dyshim se graviteti është një forcë kuantike që mund të shkaktojë ngatërrim. Natyrisht, graviteti është disi unik, dhe ka ende shumë për të mësuar rreth origjinës së hapësirës dhe kohës, por mekanika kuantike duhet patjetër të përfshihet, thonë shkencëtarët. "Në të vërtetë, çfarë kuptimi ka një teori në të cilën pjesa më e madhe e fizikës është kuantike dhe graviteti është klasik," thotë Daniel Harlow, një studiues i gravitetit kuantik në MIT. Argumentet teorike kundër modeleve të përziera kuantike-klasike janë shumë të forta (megjithëse jo përfundimtare).

Pasi lexoi letrat, Dyson shkroi: "Eksperimenti i propozuar është sigurisht me interes të madh dhe kërkon kryerjen në kushtet e një sistemi të vërtetë kuantik." Megjithatë, ai vëren se linjat e mendimit të autorëve rreth fushave kuantike ndryshojnë nga ai. “Nuk është e qartë për mua nëse ky eksperiment mund të zgjidhë çështjen e ekzistencës së gravitetit kuantik. Pyetja që bëra - është vëzhguar një graviton i veçantë - është një pyetje tjetër dhe mund të ketë një përgjigje të ndryshme."

Dhe ky ndryshim ka rëndësi kur po përpiqeni të krijoni një teori kuantike të gravitetit. Qasja e zakonshme për të kuantizuar diçka është të identifikoni pjesët e saj të pavarura - grimcat, për shembull - dhe më pas të aplikoni mekanikën kuantike për to. Por nëse nuk përcaktoni komponentët e duhur, përfundoni me ekuacione të gabuara. Kuantizimi i drejtpërdrejtë i hapësirës tre-dimensionale që Bronstein donte të bënte funksionon në një farë mase me gravitet të dobët, por rezulton të jetë i padobishëm kur hapësirë-koha është shumë e lakuar.

“Por nëse bëni këtë eksperiment të thjeshtë dhe tregoni se fusha gravitacionale ishte në mbivendosje, dështimi i përshkrimit klasik bëhet i dukshëm. Sepse do të ketë një eksperiment që nënkupton se graviteti është kuantik.”

Bazuar në materialet nga Revista Quanta