ალბათ გსმენიათ, რომ კვანტური ფიზიკა უცნაური და უცნაურია და არ ემორჩილება ფიზიკის იმ კანონებს, რომლებსაც თქვენ მიჩვეული ხართ. ეს, რა თქმა უნდა, მართალია დიდწილად. არსებობს მიზეზი, რომ ფიზიკოსებს ახალი თეორიის შემუშავება მოუწიათ და ძველ თეორიებს არ დაეყრდნობოდნენ იმის ახსნა, თუ რა ხდება ძალიან პატარა სამყაროში.
კვანტური მექანიკის ამ შესავალში თქვენ შეისწავლით თუ როგორ უდგებიან მეცნიერები კვანტურ ქცევას და კვანტურ მოვლენებს, ასევე საიდან წარმოიშვა ეს იდეები.
რა არის კვანტური მექანიკა?
კვანტურ სამყაროში მართლაც ბევრი უცნაურობაა. კვანტური მექანიკა არის ფიზიკის ის დარგი, რომელიც ცდილობს ახსნას ეს უცნაურობა და უზრუნველყოს ჩარჩო, რომელიც საშუალებას იძლევა პროგნოზირდეს და ახსნას დაკვირვებული ფენომენები.
კვანტური მექანიკის ფუნდამენტური ასპექტები მოიცავს კვანტიზაციის ცნებას. ანუ არსებობს რაღაცის უმცირესი ერთეული, რომლის შემდგომი დაშლა შეუძლებელია. ენერგია კვანტიზდება, რაც ნიშნავს, რომ ის მოდის დისკრეტულ ერთეულებში.
კვანტიზირებული ერთეულების ზომა ჩვეულებრივ იწერება თვალსაზრისით პლანკის მუდმივა, თ = 6.62607004 × 10-34 მ2კგ / წმ
კვანტური მექანიკის კიდევ ერთი ასპექტი არის მოსაზრება, რომ ყველა ნაწილაკს სინამდვილეში აქვს ნაწილაკთა ტალღის ორმაგობა, რაც იმას ნიშნავს, რომ ისინი ზოგჯერ მოქმედებენ ნაწილაკებად და სხვა დროს მოქმედებენ როგორც ტალღები. სინამდვილეში, ისინი აღწერილია ე.წ. ტალღის ფუნქციით.
კვანტური უცნაურობა მოიცავს მოსაზრებას, რომ ნაწილაკი ტალღად მოქმედებს თუ არა, გარკვეულწილად დამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორ გადაწყვეტთ მას შეხედოთ. ასევე, ნაწილაკის გარკვეული თვისებები - მაგალითად, მისი დატრიალების ორიენტაცია - როგორც ჩანს, კარგად განსაზღვრული მნიშვნელობა არ აქვს, სანამ არ გაზომავთ მათ.
მართალია, ეს არ არის მხოლოდ ის, რომ თქვენ არ იცით გაზომვამდე, მაგრამ რეალური მკაფიო მნიშვნელობა არ არსებობს გაზომვამდე.
შედარება და კონტრასტული კვანტური ფიზიკის კლასიკურ ფიზიკასთან
კვანტური მექანიკის უკეთესად გაგება შესაძლებელია კლასიკური ფიზიკის შედარების გზით, რომელიც არის ყოველდღიური ობიექტების ფიზიკა, რომელიც თქვენ უფრო კარგად იცით.
პირველი მნიშვნელოვანი განსხვავება არის ის, თუ რომელ დარგებს ეხება თითოეული ფილიალი. კლასიკური ფიზიკა ძალიან კარგად ეხება ყოველდღიური ზომის საგნებს, მაგალითად, გადაგდებულ ბურთს. კვანტური მექანიკა ეხება ობიექტებს, რომლებიც ძალიან მცირეა, მაგალითად, პროტონები, ელექტრონები და ა.შ.
კლასიკურ ფიზიკაში ნაწილაკებსა და საგნებს აქვთ მკაფიო პოზიცია და იმპულსი დროის ნებისმიერ მონაკვეთში და ორივე მათგანი ყოველთვის შეიძლება ზუსტად იყოს ცნობილი. კვანტურ მექანიკაში, რაც უფრო ზუსტად იცით ობიექტის პოზიცია, მით ნაკლებად ზუსტად იცით მისი იმპულსი. ნაწილაკებს ყოველთვის არ აქვთ კარგად განსაზღვრული პოზიცია და იმპულსი. ამას ეწოდება ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპი.
კლასიკური ფიზიკა მიიჩნევს, რომ ენერგიის ფასეულობები შეიძლება ჰქონდეს უწყვეტი. კვანტურ მექანიკაში, ენერგია არსებობს დისკრეტულ ბლოკებში. მაგალითად, სუბატომური ნაწილაკები, მაგალითად, ელექტრონები ატომებში, მხოლოდ მკაფიო ენერგიის დონეს იკავებენ და არა მათ შორის რაიმე მნიშვნელობებს.
თუ როგორ მუშაობს მიზეზობრიობა, ასევე განსხვავებულია. კლასიკური ფიზიკა მთლიანად მიზეზობრივია, რაც ნიშნავს, რომ საწყისი მდგომარეობების ცოდნა საშუალებას გაძლევთ წინასწარ განსაზღვროთ რა მოხდება.
კვანტურ მექანიკას აქვს მიზეზობრიობის განსხვავებული ვერსია. ნაწილაკები აღწერილია კვანტური მექანიკით ტალღის ფუნქცია, რაც იძლევა ფარდობით ალბათობას იმის შესახებ, თუ რა შეიძლება გააკეთოს გაზომვის დროს. ეს ტალღის ფუნქცია იცავს ფიზიკის გარკვეულ კანონებს, თუ როგორ ხდება ის „დროულად განვითარებული“ და გიტოვებთ პროგნოზირებად „ალბათობას ღრუბლებს“, თუ რას შეუძლია გაზომვა.
ხალხი კვანტური თეორიის მიღმა
მრავალი ცნობილი მეცნიერი წლების განმავლობაში მონაწილეობდა კვანტურ თეორიაში და ბევრმა მიიღო ნობელის პრემიები მათი წვლილისთვის. მართლაც, კვანტური მექანიკის აღმოჩენა და განვითარება რევოლუციური იყო. კვანტური თეორიის დასაწყისში 1800-იანი წლებიდან იწყება.
- ფიზიკოსმა მაქს პლანკმა შეძლო შავი სხეულის გამოსხივების ფენომენის ახსნა ენერგიის კვანტიზაციით.
- მოგვიანებით, ალბერტ აინშტაინმა შექმნა განმარტება ფოტოელექტრული ეფექტი ტალღის ნაცვლად სინათლის ნაწილაკებით დამუშავებით და მასზე კვანტიზებული ენერგიის მნიშვნელობებით
- ნილს ბორი ცნობილია წყალბადის ატომზე მუშაობით, სადაც მან შეძლო სპექტრული ხაზების ახსნა კვანტური მექანიკური პრინციპების მიხედვით.
- ლუი დე ბროგლიმ წარმოადგინა იდეა, რომ ნაწილაკები, რომლებიც საკმარისად მცირეა - მაგალითად, ელექტრონები - ასევე აჩვენებს ნაწილაკების ტალღის ორმაგობას.
- ერვინ შროდინგერმა შექმნა მისი ცნობილი შროდინგერის განტოლება, რომელიც აღწერს როგორ ვითარდება ტალღის ფუნქციები დროში.
- ვერნერ ჰაიზენბერგმა შექმნა გაურკვევლობის პრინციპი, რამაც დაადასტურა, რომ კვანტური ნაწილაკის არც პოზიცია და არც იმპულსი არ არის ცნობილი გარკვევით.
- პოლ დირაკმა იწინასწარმეტყველა ანტიმატერიის არსებობა და გადადგა ნაბიჯები ზოგადი ფარდობითობის თეორიის კვანტური თეორიის შესათანხმებლად.
- ჯონ ბელი ცნობილია ბელის თეორემით, რამაც დაადასტურა, რომ ფარული ცვლადები არ არსებობდა. (სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს არ არის მხოლოდ ის, რომ თქვენ არ იცით კვანტური ნაწილაკები დატრიალება ან სხვა თვისება გაზომვამდე, მაგრამ მას რეალურად არ აქვს კარგად განსაზღვრული მნიშვნელობა გაზომვამდე.)
- რიჩარდ ფეინმანმა შეიმუშავა კვანტური ელექტროდინამიკის თეორია.
კვანტური მექანიკის სხვადასხვა ინტერპრეტაციები
იმის გამო, რომ კვანტური მექანიკა ძალიან უცნაური და კონტრ-ინტუიციურია, სხვადასხვა მეცნიერმა შეიმუშავა მისი განსხვავებული ინტერპრეტაცია. განტოლებები, რომლებიც პროგნოზირებენ რა ხდება, ერთია - ვიცით, რომ ისინი მუშაობენ, რადგან ისინი შეესაბამება დაკვირვება - მაგრამ იმის გაგება, თუ რას ნიშნავს ისინი სინამდვილეში, უფრო ფილოსოფიური საკითხია და ბევრს ექვემდებარება დებატი.
აინშტაინმა ახასიათებს სხვადასხვა ინტერპრეტაცია ოთხი თვისების საფუძველზე:
- რეალიზმი, რომელიც ეხება იმას, ნამდვილად არსებობს თუ არა თვისებები გაზომვამდე.
- სისრული, რომელიც ეხება სრულდება თუ არა ამჟამინდელი კვანტური თეორია.
- ადგილობრივი რეალიზმი, რეალიზმის ქვეკატეგორია, რომელიც ეხება რეალიზმის არსებობას ადგილობრივ, უშუალო დონეზე.
- დეტერმინიზმი, რომელიც ეხება იმას, თუ რამდენად კარგად მიიჩნევა კვანტური მექანიკა დეტერმინაციულად.
კვანტური მექანიკის სტანდარტულ ინტერპრეტაციას კოპენჰაგენის ინტერპრეტაციას უწოდებენ. იგი ჩამოაყალიბეს ბორმა და ჰაიზენბერგმა კოპენჰაგენში ყოფნის დროს, 1927 წელს. სინამდვილეში, ამ ინტერპრეტაციაში ნათქვამია, რომ ყველაფერი, რაც კვანტური ნაწილაკია და რაც შეიძლება ცნობილი იყოს ამის შესახებ, აღწერილია ტალღის ფუნქციით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კვანტური მექანიკის ყველა უცნაურობა მართლაც რომ უცნაურია და ასეა სინამდვილეში ყველაფერი.
ალტერნატიული თვალსაზრისი არის მრავალი სამყაროს ინტერპრეტაცია, რომელიც ანადგურებს კვანტის ალბათურ შედეგებს დაკვირვებებით, რომ ყველა შესაძლო შედეგი რეალურად ხდება, მაგრამ სხვადასხვა სამყაროში, რომლებიც ჩვენი მიმდინარეობის ტოტებია რეალობა.
დამალული ცვლადი თეორიები აცხადებენ, რომ კვანტურ სამყაროში უფრო მეტია, რაც საშუალებას მოგვცემს გავაკეთოთ პროგნოზები არ ემყარება ალბათობებს, მაგრამ ჩვენ უნდა აღმოვაჩინოთ გარკვეული ფარული ცვლადები, რომლებიც მოგვცემს ამ პროგნოზებს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კვანტური მექანიკა არ არის დასრულებული. ბელის თეორემამ დაადასტურა, რომ ფარული ცვლადები ადგილობრივ დონეზე არ არსებობს.
დე ბროგლი-ბომის თეორია, ასევე ცნობილი როგორც საპილოტე ტალღების თეორია, ფარული ცვლადების ცნებას მიმართავს გლობალური მიდგომით, რომელსაც არ ეწინააღმდეგება ბელის თეორემა.
გასაკვირი არ არის, რომ მრავალი, მრავალი სხვა ინტერპრეტაცია არსებობს, რადგან მეცნიერებს საუკუნეზე მეტი ხნის განმავლობაში ცდილობდა გაეგოთ კვანტური სამყაროს ჭეშმარიტად უცნაური ბუნება.
EPR ექსპერიმენტი
მრავალი ცნობილი ექსპერიმენტი იქნა შესრულებული ამ გზაზე, რამაც გამოიწვია და დაამტკიცა კვანტური თეორიის სხვადასხვა ასპექტები.
ერთ-ერთი ძალიან ცნობილი ექსპერიმენტია EPR ექსპერიმენტი, რომელსაც ატარებენ მეცნიერები აინშტაინი, პოდოლსკი და როზენი. ეს ექსპერიმენტი ეხებოდა კვანტურ სისტემაში ჩახლართვის იდეას. განვიხილოთ ორი ელექტრონი, რომელთაგან ორივეს აქვს თვისება, რომელსაც ეწოდება spin. მათი დატრიალება, გაზომვის შემთხვევაში, არის ან მაღლა ან დაბლა.
ერთი ელექტრონის დატრიალების გაზომვისას მას აქვს 50 პროცენტი აწევისა და 50 პროცენტი დაცემისა. შედეგების წინასწარ განსაზღვრა შეუძლებელია კვანტური მექანიკის მიხედვით. ამასთან, ამ ექსპერიმენტში ორი ელექტრონი ირევა ისეთი, რომ მათი კომბინირებული ტრიალი 0ა. ამასთან, კვანტური მექანიკის მიხედვით, ჩვენ ჯერ კიდევ არ შეგვიძლია ვიცით რომელი ტრიალებს ზემოთ და რომელი ტრიალებს ქვემოთ, და არც ერთი არც ერთ პოზიციაში არ არის და ამის ნაცვლად ნათქვამია, რომ ორივე "სუპერპოზიციაშია" აცხადებს.
ეს ორი ჩახლართული ელექტრონი საპირისპირო მიმართულებით იგზავნება სხვადასხვა მოწყობილობებისთვის, რომლებიც ერთდროულად გაზომავს მათ დატრიალებებს. გაზომვის დროს ისინი ერთმანეთისგან საკმარისად დაშორებულნი არიან, რომ დრო აღარ არის არცერთი ელექტრონისთვის გაუგზავნოს უხილავი „სიგნალი“ სხვისთვის, რომ აცნობოს, თუ რას იზომება მისი ტრიალი. და მაინც, როდესაც ხდება გაზომვა, ორივე იზომება საპირისპირო დატრიალებით.
შროდინგერის კატა
შროდინგერის კატა არის ცნობილი სააზროვნო ექსპერიმენტი, რომელიც მიზნად ისახავს კვანტური ქცევის უცნაურობის ილუსტრაციას და კითხვა, თუ რას გულისხმობს გაზომვა და აქვს თუ არა მსხვილ საგნებს, მაგალითად კატას, კვანტის ჩვენება მოქმედება.
ამ ექსპერიმენტში ამბობენ, რომ კატა იმყოფება ყუთში ისე, რომ დამკვირვებელს მისი ნახვა არ შეუძლია. კატის ცხოვრება დამოკიდებულია კვანტურ მოვლენაზე - მაგალითად, შესაძლოა ელექტრონის დატრიალების ორიენტაცია. თუ ის დაიძაბება, კატა კვდება. თუ ის დაიძაბება, კატა ცხოვრობს.
მაგრამ ელექტრონის მდგომარეობა დამალულია დამკვირვებლისთვის, ისევე როგორც კატა ყუთში. ასე ხდება კითხვა, სანამ ყუთს არ გახსნით, არის თუ არა კატა ცოცხალი, მკვდარი ან ასევე ისეთი უცნაური სუპერპოზიციაში, როგორიცაა ელექტრონი გაზომვამდე?
დარწმუნებული იყავით, არავინ არ ჩაუტარებია ასეთი ექსპერიმენტი და არცერთ კატას არ დაუზიანებია კვანტური ცოდნა.
დაკავშირებული ფიზიკის თემები
1900-იანი წლები იყო დრო, როდესაც ფიზიკამ მართლაც გაიტაცა. კლასიკურ მექანიკას აღარ შეეძლო აეხსნა სამყაროში ძალიან პატარა, სამყაროში ძალიან დიდი ან სამყაროში ძალიან სწრაფად. ფიზიკის მრავალი ახალი დარგი დაიბადა. მათ შორისაა:
- კვანტური ველის თეორია:თეორია, რომელიც ველების იდეას აერთიანებს კვანტურ მექანიკასთან და სპეციალურ ფარდობითობასთან.
- ნაწილაკების ფიზიკა:ფიზიკის დარგი, რომელიც აღწერს ყველა ფუნდამენტურ ნაწილაკს და ერთმანეთთან ურთიერთობის გზებს.
- კვანტური გამოთვლა:ველი, რომელიც ცდილობს შექმნას კვანტური კომპიუტერები, რაც საშუალებას მისცემს უფრო სწრაფად დამუშავებას და უკეთესს დაშიფვრა იმის გამო, თუ როგორ იქნება ასეთი კომპიუტერის მუშაობა კვანტური მექანიკის საფუძველზე პრინციპები.
- განსაკუთრებული ფარდობითობა:თეორია, რომელიც აღწერს ობიექტების ქცევას, რომლებიც სინათლის სიჩქარესთან ახლოს მოძრაობენ და ემყარება მოსაზრებას, რომ სინათლის სიჩქარეზე უფრო სწრაფად ვერაფერი იმოძრავებს.
- ზოგადი ფარდობითობა:თეორია, რომელიც გრავიტაციას აღწერს, როგორც სივრცე – დროის გამრუებას.