احتمالاً بارها آن را شنیده اید در مورد اسرار غیر قابل توضیح فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی. قوانین آن مجذوب عرفان است و حتی خود فیزیکدانان اعتراف می کنند که آنها را کاملاً درک نمی کنند. از یک طرف درک این قوانین جالب است، اما از طرف دیگر زمانی برای خواندن کتاب های چند جلدی و پیچیده فیزیک وجود ندارد. من شما را بسیار درک می کنم، زیرا من نیز دانش و جستجوی حقیقت را دوست دارم، اما برای همه کتاب ها وقت کافی نیست. شما تنها نیستید، بسیاری از افراد کنجکاو در نوار جستجو تایپ می کنند: "فیزیک کوانتومی برای آدمک ها، مکانیک کوانتومی برای آدمک ها، فیزیک کوانتومی برای مبتدیان، مکانیک کوانتومی برای مبتدیان، مبانی فیزیک کوانتومی، مبانی مکانیک کوانتومی، فیزیک کوانتومی برای کودکان، مکانیک کوانتومی چیست». این نشریه دقیقا برای شماست.

شما مفاهیم اساسی و پارادوکس های فیزیک کوانتومی را درک خواهید کرد. از مقاله یاد خواهید گرفت:

• فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی چیست؟
• تداخل چیست؟
• درهم تنیدگی کوانتومی (یا انتقال کوانتومی برای آدمک ها) چیست؟ (به مقاله مراجعه کنید)
• آزمایش فکری گربه شرودینگر چیست؟ (به مقاله مراجعه کنید)

مکانیک کوانتومی بخشی از فیزیک کوانتومی است.

چرا درک این علوم اینقدر دشوار است؟ پاسخ ساده است: فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی (بخشی از فیزیک کوانتومی) قوانین ریزجهان را مطالعه می کنند. و این قوانین کاملاً با قوانین جهان کلان ما متفاوت است. بنابراین، تصور اینکه چه اتفاقی برای الکترون ها و فوتون ها در عالم کوچک می افتد برای ما دشوار است.

نمونه ای از تفاوت بین قوانین دنیای کلان و خرد: در دنیای ماکرو ما، اگر یک توپ را در یکی از 2 جعبه قرار دهید، یکی از آنها خالی خواهد بود و دیگری یک توپ خواهد داشت. اما در عالم صغیر (اگر به جای توپ یک اتم وجود داشته باشد)، یک اتم می تواند همزمان در دو جعبه باشد. این موضوع بارها به صورت تجربی تایید شده است. سخت نیست سرت را دور این حلقه حلقه کنی؟ اما شما نمی توانید با واقعیت ها بحث کنید.

یک مثال دیگرشما از یک ماشین اسپورت قرمز مسابقه سریع عکس گرفتید و در عکس یک نوار افقی تار دیدید، گویی ماشین در زمان عکس در چند نقطه از فضا قرار دارد. با وجود آنچه در عکس می بینید، هنوز مطمئن هستید که ماشین بوده است در یک مکان خاص در فضا. در دنیای خرد همه چیز متفاوت است. الکترونی که به دور هسته اتم می چرخد ​​در واقع نمی چرخد، اما به طور همزمان در تمام نقاط کره قرار دارداطراف هسته اتم مثل گلوله‌ای از پشم کرکی که شل شده است. این مفهوم در فیزیک نامیده می شود "ابر الکترونیکی" .

گشتی کوتاه در تاریخ.دانشمندان اولین بار زمانی به جهان کوانتومی فکر کردند که در سال 1900، فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک تلاش کرد تا دریابد که چرا فلزات هنگام گرم شدن تغییر رنگ می دهند. او بود که مفهوم کوانتوم را معرفی کرد. تا آن زمان دانشمندان فکر می کردند که نور به طور پیوسته سفر می کند. اولین کسی که کشف پلانک را جدی گرفت آلبرت انیشتین ناشناخته آن زمان بود. او متوجه شد که نور فقط یک موج نیست. گاهی مثل یک ذره رفتار می کند. انیشتین جایزه نوبل را برای کشف خود مبنی بر اینکه نور در بخش‌هایی، کوانتا ساطع می‌شود، دریافت کرد. کوانتومی نور را فوتون می نامند ( فوتون، ویکی پدیا) .

برای سهولت درک قوانین کوانتومی فیزیکدانانو مکانیک (ویکی پدیا)، ما باید به یک معنا از قوانین فیزیک کلاسیک که برای ما آشنا هستند انتزاع کنیم. و تصور کنید که مانند آلیس، در سوراخ خرگوش، در سرزمین عجایب شیرجه زدید.

و در اینجا یک کارتون برای کودکان و بزرگسالان است.آزمایش اساسی مکانیک کوانتومی را با 2 شکاف و یک ناظر شرح می دهد. فقط 5 دقیقه طول می کشد. قبل از اینکه به سؤالات و مفاهیم اساسی فیزیک کوانتومی بپردازیم، آن را تماشا کنید.

ویدیوی فیزیک کوانتومی برای آدمک ها. در کارتون به "چشم" ناظر توجه کنید. این به یک معمای جدی برای فیزیکدانان تبدیل شده است.

تداخل چیست؟

در ابتدای کارتون، با استفاده از مثال مایع، نشان داده شد که امواج چگونه رفتار می کنند - نوارهای عمودی تیره و روشن متناوب روی صفحه نمایش در پشت یک صفحه با شکاف ظاهر می شوند. و در صورتی که ذرات گسسته (به عنوان مثال، سنگریزه ها) به صفحه "شلیک" شوند، آنها از طریق 2 شکاف پرواز می کنند و دقیقاً در مقابل شکاف ها روی صفحه فرود می آیند. و آنها فقط 2 نوار عمودی روی صفحه "نقاشی" می کنند.

تداخل نور- این رفتار "موج" نور است، زمانی که صفحه نمایش بسیاری از نوارهای عمودی روشن و تاریک متناوب را نشان می دهد. همچنین این راه راه های عمودی الگوی تداخل نامیده می شود.

در جهان کلان ما اغلب مشاهده می کنیم که نور مانند یک موج رفتار می کند. اگر دست خود را در مقابل شمع قرار دهید، روی دیوار سایه روشنی از دست شما نخواهد بود، بلکه با خطوط مبهم است.

بنابراین، همه چیز آنقدرها هم پیچیده نیست! اکنون برای ما کاملاً واضح است که نور ماهیت موجی دارد و اگر 2 شکاف با نور روشن شوند، در صفحه پشت آنها یک الگوی تداخلی خواهیم دید. حالا بیایید به آزمایش 2 نگاه کنیم. این آزمایش معروف Stern-Gerlach است (که در دهه 20 قرن گذشته انجام شد).

نصب شرح داده شده در کارتون با نور تابیده نشده است، بلکه با الکترون ها (به عنوان ذرات منفرد) "شلیک" شده است. سپس در آغاز قرن گذشته، فیزیکدانان سراسر جهان معتقد بودند که الکترون ها ذرات بنیادی ماده هستند و نباید ماهیت موجی داشته باشند، بلکه مانند سنگریزه ها هستند. بالاخره الکترون ها ذرات بنیادی ماده هستند، درست است؟ یعنی اگر آنها را به 2 شکاف مانند سنگریزه "پرتاب کنید" ، روی صفحه پشت شکاف ها باید 2 نوار عمودی ببینیم.

اما... نتیجه خیره کننده بود. دانشمندان یک الگوی تداخل را دیدند - بسیاری از نوارهای عمودی. یعنی الکترون ها نیز مانند نور می توانند ماهیت موجی داشته باشند و تداخل داشته باشند. از سوی دیگر، مشخص شد که نور نه تنها یک موج، بلکه یک ذره کوچک - یک فوتون (از اطلاعات تاریخیدر ابتدای مقاله متوجه شدیم که اینشتین جایزه نوبل را برای این کشف دریافت کرده است).

شاید به یاد داشته باشید، در مدرسه به ما در مورد فیزیک می گفتند "دوگانگی موج - ذره"? این بدان معناست که وقتی در مورد ذرات بسیار کوچک (اتم ها، الکترون ها) کیهان کوچک صحبت می کنیم، آنها هم امواج و هم ذرات هستند

امروز من و شما بسیار باهوش هستیم و می دانیم که 2 آزمایشی که در بالا توضیح داده شد - تیراندازی با الکترون ها و روشن کردن شکاف ها با نور - یکسان هستند. زیرا ما ذرات کوانتومی را به شکاف ها شلیک می کنیم. اکنون می دانیم که نور و الکترون ها هر دو ماهیت کوانتومی دارند، که همزمان هم امواج و هم ذرات هستند. و در آغاز قرن بیستم، نتایج این آزمایش احساسی بود.

توجه! حالا بیایید به یک موضوع ظریف تر برویم.

ما جریانی از فوتون ها (الکترون ها) را به شکاف های خود می تابانیم و یک الگوی تداخلی (راه راه های عمودی) را در پشت شکاف های روی صفحه می بینیم. روشن است. اما ما علاقه مندیم که ببینیم هر یک از الکترون ها چگونه از شکاف عبور می کنند.

احتمالاً یک الکترون به شکاف چپ و دیگری به سمت راست پرواز می کند. اما پس از آن باید 2 نوار عمودی روی صفحه نمایش دقیقاً در مقابل شکاف ها ظاهر شود. چرا یک الگوی تداخل رخ می دهد؟ شاید الکترون‌ها پس از پرواز در شکاف‌ها، به نحوی با یکدیگر بر روی صفحه نمایش تعامل داشته باشند. و نتیجه یک الگوی موج مانند این است. چگونه می توانیم این موضوع را پیگیری کنیم؟

ما الکترون ها را نه در یک پرتو، بلکه یکی یکی پرتاب خواهیم کرد. بیایید آن را پرتاب کنیم، صبر کنید، بعدی را بیاندازیم. اکنون که الکترون به تنهایی در حال پرواز است، دیگر قادر به برهمکنش با الکترون های دیگر روی صفحه نیست. ما هر الکترون را پس از پرتاب روی صفحه ثبت می کنیم. البته یکی دو تا تصویر واضحی برای ما ترسیم نمی کنند. اما وقتی تعداد زیادی از آنها را یکی یکی به داخل شکاف ها بفرستیم، متوجه خواهیم شد... اوه وحشت - آنها دوباره یک الگوی موج تداخلی را ترسیم کردند!

کم کم داریم دیوانه می شویم. از این گذشته ، ما انتظار داشتیم که 2 نوار عمودی در مقابل شکاف ها وجود داشته باشد! معلوم شد که وقتی فوتون‌ها را یکی یکی پرتاب می‌کردیم، هر کدام از آن‌ها به طور همزمان از ۲ شکاف عبور می‌کردند و با خودش تداخل پیدا می‌کرد. خارق العاده! اجازه دهید در بخش بعدی به توضیح این پدیده برگردیم.

اسپین و برهم نهی چیست؟

اکنون می دانیم که تداخل چیست. این رفتار موجی ذرات میکرو است - فوتون ها، الکترون ها، سایر ذرات میکرو (برای سادگی، از این به بعد آنها را فوتون بنامیم).

در نتیجه آزمایش، زمانی که 1 فوتون را به 2 شکاف انداختیم، متوجه شدیم که به نظر می رسد همزمان از میان دو شکاف پرواز می کند. در غیر این صورت، چگونه می توانیم الگوی تداخل روی صفحه را توضیح دهیم؟

اما چگونه می توانیم تصور کنیم که یک فوتون همزمان از میان دو شکاف عبور می کند؟ 2 گزینه وجود دارد.

• گزینه 1:یک فوتون، مانند یک موج (مثل آب) از میان 2 شکاف به طور همزمان شناور است.
• گزینه دوم:یک فوتون، مانند یک ذره، به طور همزمان در امتداد 2 مسیر پرواز می کند (حتی دو مسیر نیست، بلکه همه به یکباره)

در اصل، این گزاره ها معادل هستند. ما به "مسیر انتگرال" رسیدیم. این فرمول مکانیک کوانتومی ریچارد فاینمن است.

اتفاقا دقیقا ریچارد فاینمنمتعلق است بیان معروف، چی با اطمینان می توان گفت که هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد

اما این بیان او در آغاز قرن کارآمد. اما اکنون ما باهوش هستیم و می دانیم که یک فوتون می تواند هم به عنوان یک ذره و هم به عنوان موج رفتار کند. اینکه او می تواند، به نوعی برای ما نامفهوم، از طریق 2 شکاف به طور همزمان پرواز کند. بنابراین، درک عبارت مهم مکانیک کوانتومی برای ما آسان خواهد بود:

به طور دقیق، مکانیک کوانتومی به ما می گوید که این رفتار فوتون یک قاعده است، نه استثنا. هر ذره کوانتومی، به طور معمول، در چندین حالت یا در چند نقطه در فضا به طور همزمان است.

اشیاء جهان ماکرو تنها می توانند در یک مکان خاص و در یک حالت خاص باشند. اما یک ذره کوانتومی طبق قوانین خودش وجود دارد. و او حتی اهمیتی نمی دهد که ما آنها را درک نمی کنیم. نکته همین است.

ما فقط باید به عنوان یک اصل بدیهی اعتراف کنیم که "ابرجایگاه" یک جسم کوانتومی به این معنی است که می تواند همزمان در 2 یا چند مسیر، در 2 یا چند نقطه به طور همزمان باشد.

همین امر در مورد یکی دیگر از پارامترهای فوتون - اسپین (تکانه زاویه ای خود) صدق می کند. اسپین یک بردار است. یک جسم کوانتومی را می توان به عنوان یک آهنربای میکروسکوپی در نظر گرفت. ما به این واقعیت عادت کرده ایم که بردار آهنربا (اسپین) یا به سمت بالا یا پایین هدایت می شود. اما الکترون یا فوتون دوباره به ما می‌گوید: «بچه‌ها، ما اهمیتی نمی‌دهیم که شما به چه چیزی عادت کرده‌اید، ما می‌توانیم در هر دو حالت اسپینی (بردار بالا، بردار پایین) باشیم، دقیقاً همانطور که می‌توانیم در 2 مسیر در در همان زمان یا در 2 نقطه در همان زمان!

"اندازه گیری" یا "فروپاشی تابع موج" چیست؟

چیزی برای ما باقی نمانده است که بفهمیم "اندازه گیری" چیست و "فروپاشی تابع موج" چیست.

تابع موجتوصیفی از وضعیت یک جسم کوانتومی (فوتون یا الکترون ما) است.

فرض کنید ما یک الکترون داریم، به سمت خودش پرواز می کند در حالت نامشخص، چرخش آن به طور همزمان به سمت بالا و پایین هدایت می شود. باید وضعیت او را بسنجیم.

بیایید با استفاده اندازه گیری کنیم میدان مغناطیسی: الکترونهایی که اسپین آنها در جهت میدان هدایت شده است در یک جهت و الکترونهایی که اسپین آنها در جهت میدان هدایت شده است - در جهت دیگر منحرف می شوند. فوتون های بیشتری را می توان به یک فیلتر پلاریزه هدایت کرد. اگر اسپین (پلاریزاسیون) فوتون +1 باشد، از فیلتر عبور می کند، اما اگر -1 باشد، اینطور نیست.

متوقف کردن! در اینجا به ناچار یک سوال برای شما پیش خواهد آمد:قبل از اندازه گیری، الکترون هیچ جهت اسپین خاصی نداشت، درست است؟ او همزمان در همه ایالت ها بود، اینطور نیست؟

این ترفند و احساس مکانیک کوانتومی است. تا زمانی که حالت یک جسم کوانتومی را اندازه نگیرید، می تواند در هر جهتی بچرخد (هر جهتی از بردار تکانه زاویه ای خود داشته باشد - اسپین). اما در لحظه ای که حالت او را اندازه گیری کردید، به نظر می رسد که او تصمیم می گیرد کدام بردار اسپین را بپذیرد.

این شی کوانتومی بسیار جالب است - در مورد وضعیت خود تصمیم می گیرد.و ما نمی توانیم از قبل پیش بینی کنیم که وقتی به میدان مغناطیسی که در آن اندازه گیری می کنیم پرواز کند چه تصمیمی می گیرد. احتمال اینکه او تصمیم بگیرد یک بردار چرخشی "بالا" یا "پایین" داشته باشد 50 تا 50٪ است. اما به محض اینکه تصمیم می گیرد، در یک حالت خاص با یک جهت چرخشی خاص قرار می گیرد. دلیل تصمیم او «بعد» ماست!

به این میگن " فروپاشی تابع موج". تابع موج قبل از اندازه گیری نامشخص بود، یعنی. پس از اندازه گیری، بردار اسپین الکترون به طور همزمان در تمام جهات بود.

توجه! یک مثال عالی برای درک، ارتباطی از جهان کلان ما است:

یک سکه مانند یک فرفره روی میز بچرخانید. در حالی که سکه در حال چرخش است، معنای خاصی ندارد - سر یا دم. اما به محض اینکه تصمیم گرفتید این مقدار را "اندازه گیری" کنید و سکه را با دست خود بکوبید، آن موقع است که وضعیت خاص سکه - سر یا دم - را به دست می آورید. حالا تصور کنید که این سکه تصمیم می گیرد که کدام ارزش را به شما نشان دهد - سر یا دم. الکترون تقریباً به همین شکل رفتار می کند.

حالا آزمایشی که در انتهای کارتون نشان داده شده را به خاطر بیاورید. هنگامی که فوتون ها از شکاف ها عبور می کردند، مانند یک موج رفتار می کردند و یک الگوی تداخلی را روی صفحه نشان می دادند. و هنگامی که دانشمندان می خواستند لحظه پرواز فوتون ها را از طریق شکاف ثبت کنند (اندازه گیری کنند) و یک "ناظر" را در پشت صفحه قرار دادند، فوتون ها شروع به رفتار نه مانند امواج، بلکه مانند ذرات کردند. و آنها 2 نوار عمودی روی صفحه "کشیدند". آن ها در لحظه اندازه گیری یا مشاهده، اجسام کوانتومی خودشان انتخاب می کنند که در چه حالتی باشند.

خارق العاده! مگه نه؟

اما این همه ماجرا نیست. بالاخره ما به جالب ترین قسمت رسیدیم.

اما ... به نظر من حجم اطلاعات زیاد خواهد شد، بنابراین این 2 مفهوم را در پست های جداگانه بررسی خواهیم کرد:

• چه اتفاقی افتاده است ؟
• آزمایش فکری چیست؟

حالا، آیا می خواهید اطلاعات مرتب شود؟ نگاه کن مستندتهیه شده توسط موسسه کانادایی فیزیک نظری. در 20 دقیقه بسیار مختصر و ترتیب زمانیدر مورد تمام اکتشافات فیزیک کوانتومی، از کشف پلانک در سال 1900، به شما گفته خواهد شد. و سپس به شما خواهند گفت که در حال حاضر چه پیشرفت های عملی بر اساس دانش فیزیک کوانتومی در حال انجام است: از دقیق ترین ساعت های اتمی تا محاسبات فوق سریع یک کامپیوتر کوانتومی. تماشای این فیلم را به شدت توصیه می کنم.

به امید دیدار!

برای همه برنامه ها و پروژه هایشان الهام بخش آرزو می کنم!

P.S.2 سوالات و نظرات خود را در نظرات بنویسید. بنویسید، به چه سوالات دیگری در مورد فیزیک کوانتومی علاقه دارید؟

P.S.3 اشتراک در وبلاگ - فرم اشتراک در زیر مقاله است.

در سال 1803، توماس یانگ پرتویی از نور را به صفحه ای مات با دو شکاف هدایت کرد. به جای دو نوار نور مورد انتظار روی صفحه نمایش، او چندین نوار را مشاهده کرد، گویی تداخل (ابرجا) دو موج نور از هر شکاف وجود دارد. در واقع، در این لحظه بود که فیزیک کوانتومی متولد شد، یا بهتر است بگوییم سؤالات هسته آن. در XX و قرن XXIنشان داده شد که نه تنها نور، بلکه هر ذره بنیادی منفرد و حتی برخی از مولکول ها مانند یک موج، مانند کوانتوم ها رفتار می کنند، گویی از هر دو شکاف به طور همزمان عبور می کنند. با این حال، اگر سنسوری را در شکاف‌ها قرار دهید که مشخص می‌کند دقیقاً چه اتفاقی برای ذره در این مکان می‌افتد و از کدام شکاف خاص هنوز عبور می‌کند، تنها دو نوار بر روی صفحه نمایش ظاهر می‌شود، گویی واقعیت مشاهده (تأثیر غیر مستقیم) تابع موج را از بین می برد و جسم مانند ماده رفتار می کند. ( ویدئو)

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ اساس فیزیک کوانتومی است!

به لطف یک کشف در سال 1927، هزاران دانشمند و دانش آموز همان آزمایش ساده را تکرار کردند. اشعه لیزراز طریق یک شکاف باریک به طور منطقی، رد قابل مشاهده از لیزر بر روی صفحه نمایش باریکتر و باریکتر می شود، زیرا شکاف کاهش می یابد. اما در یک لحظه خاص، زمانی که شکاف به اندازه کافی باریک می شود، نقطه لیزر ناگهان شروع به بازتر شدن و بازتر شدن می کند، در سراسر صفحه کشیده می شود و تا زمانی که شکاف ناپدید می شود، کم نور می شود. این بارزترین دلیل بر ماهیت فیزیک کوانتومی است - اصل عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ، یک فیزیکدان نظری برجسته. ماهیت آن این است که هر چه ما یکی از ویژگی های جفت یک سیستم کوانتومی را دقیق تر تعیین کنیم، مشخصه دوم نامشخص تر می شود. که در در این مورد، هر چه مختصات فوتون های لیزر را با شکاف باریک تر تعیین کنیم، تکانه این فوتون ها نامشخص تر می شود. در عالم کلان، ما همچنین می‌توانیم مکان دقیق شمشیر در حال پرواز را با برداشتن آن یا جهت آن اندازه‌گیری کنیم، اما نه در همان زمان، زیرا این با یکدیگر در تضاد و تداخل هستند. ( ویدئو)

ابررسانایی کوانتومی و اثر مایسنر

در سال 1933، والتر مایسنر پدیده جالبی را در فیزیک کوانتوم کشف کرد: زمانی که سرد می شود حداقل دمادر یک ابررسانا، میدان مغناطیسی فراتر از مرزهای آن جابجا می شود. این پدیده را اثر مایسنر می نامند. اگر یک آهنربای معمولی روی آلومینیوم (یا یک ابررسانا دیگر) قرار داده شود و سپس با نیتروژن مایع خنک شود، آهنربا به سمت بالا پرواز می کند و در هوا معلق می شود، زیرا میدان مغناطیسی خود را با همان قطبیت جابجا شده از میدان مغناطیسی خود می بیند. آلومینیوم خنک شده و طرف های یکسانآهنرباها دفع می کنند ( ویدئو)

ابر سیال کوانتومی

در سال 1938، پیوتر کاپیتسا هلیوم مایع را تا دمای نزدیک به صفر خنک کرد و متوجه شد که این ماده ویسکوزیته خود را از دست داده است. این پدیده در فیزیک کوانتومی ابرسیال نامیده می شود. اگر هلیوم مایع خنک شده در کف لیوان ریخته شود، همچنان از آن در امتداد دیواره ها جاری می شود. در واقع، تا زمانی که هلیوم به اندازه کافی خنک شود، بدون توجه به شکل یا اندازه ظرف، محدودیتی برای ریختن آن وجود ندارد. در پایان قرن بیستم و آغاز قرن بیست و یکم، ابر سیال تحت شرایط خاصی در هیدروژن و گازهای مختلف نیز کشف شد. ( ویدئو)

تونل زنی کوانتومی

در سال 1960، Ivor Jayever آزمایش‌های الکتریکی را با ابررساناهایی انجام داد که توسط یک فیلم میکروسکوپی از اکسید آلومینیوم نارسانا جدا شده بودند. معلوم شد که برخلاف فیزیک و منطق، برخی از الکترون ها هنوز از عایق عبور می کنند. این نظریه احتمال وجود یک اثر تونل کوانتومی را تایید کرد. این نه تنها در مورد الکتریسیته، بلکه در مورد هر ذرات بنیادی نیز کاربرد دارد، آنها همچنین بر اساس فیزیک کوانتومی امواج هستند. اگر عرض این موانع کمتر از طول موج ذره باشد، می توانند از موانع عبور کنند. هرچه مانع باریکتر باشد، ذرات بیشتر از آن عبور می کنند. ( ویدئو)

درهم تنیدگی کوانتومی و انتقال از راه دور

در سال 1982، فیزیکدان آلن آسپ، برنده جایزه آینده جایزه نوبل، دو فوتون را به طور همزمان به حسگرهای چند جهته برای تعیین اسپین (قطب شدن) آنها فرستاد. مشخص شد که اندازه گیری اسپین یک فوتون فوراً بر موقعیت اسپین فوتون دوم تأثیر می گذارد که برعکس می شود. به این ترتیب امکان درهم تنیدگی کوانتومی ثابت شد ذرات بنیادیو تله پورت کوانتومی در سال 2008، دانشمندان توانستند وضعیت فوتون‌های درهم‌تنیده کوانتومی را در فاصله 144 کیلومتری اندازه‌گیری کنند و برهم‌کنش بین آنها هنوز آنی بود، گویی در یک مکان هستند یا فضایی وجود ندارد. اعتقاد بر این است که اگر چنین فوتون‌های درهم‌تنیده کوانتومی به قسمت‌های مخالف جهان ختم شوند، تعامل بین آنها همچنان آنی خواهد بود، اگرچه نور ده‌ها میلیارد سال طول می‌کشد تا همان فاصله را طی کند. کنجکاو است، اما به گفته انیشتین، زمانی برای فوتون هایی که با سرعت نور حرکت می کنند وجود ندارد. آیا این یک تصادف است؟ فیزیکدانان آینده اینطور فکر نمی کنند! ( ویدئو)

اثر زنو کوانتومی و توقف زمان

در سال 1989، گروهی از دانشمندان به رهبری دیوید واینلند سرعت انتقال یون های بریلیم را بین سطوح اتمی مشاهده کردند. معلوم شد که خود واقعیت اندازه گیری وضعیت یون ها انتقال آنها بین حالت ها را کند می کند. در آغاز قرن بیست و یکم، در آزمایش مشابهی با اتم‌های روبیدیم، کاهش سرعت 30 برابری به دست آمد. همه اینها تاییدی بر اثر زنو کوانتومی است. معنای آن این است که خود واقعیت اندازه گیری وضعیت یک ذره ناپایدار در فیزیک کوانتومی سرعت فروپاشی آن را کاهش می دهد و در تئوری می تواند کاملاً آن را متوقف کند. ( ویدیو انگلیسی)

پاک کن کوانتومی با انتخاب تاخیری

در سال 1999، تیمی از دانشمندان به رهبری مارلان اسکالی فوتون‌ها را از طریق دو شکاف هدایت کردند، که پشت آن منشوری قرار داشت که هر فوتون در حال ظهور را به یک جفت فوتون درهم‌تنیده کوانتومی تبدیل می‌کرد و آنها را به دو جهت جدا می‌کرد. اولین فوتون ها را به آشکارساز اصلی فرستاد. جهت دوم فوتون ها را به یک سیستم 50% بازتابنده و آشکارساز فرستاد. معلوم شد که اگر یک فوتون از جهت دوم به آشکارسازهایی برسد که شکافی را که از آن ساطع می شود را تعیین می کند، آشکارساز اصلی فوتون جفت شده خود را به عنوان یک ذره ثبت می کند. اگر فوتونی از جهت دوم به آشکارسازهایی برسد که شکافی را که از آن ساطع شده را تشخیص نمی‌دهند، آشکارساز اصلی فوتون جفت شده خود را به صورت موج ثبت می‌کند. اندازه گیری یک فوتون نه تنها روی جفت درهم تنیده کوانتومی آن منعکس شد، بلکه این اتفاق فراتر از فاصله و زمان نیز رخ داد، زیرا سیستم آشکارساز ثانویه فوتون ها را دیرتر از فوتون اصلی ثبت می کرد، گویی آینده گذشته را تعیین می کند. اعتقاد بر این است که این باورنکردنی ترین آزمایش نه تنها در تاریخ فیزیک کوانتومی، بلکه در تاریخ همه علوم است، زیرا بسیاری از پایه های معمول جهان بینی را تضعیف می کند. ( ویدیو انگلیسی)

برهم نهی کوانتومی و گربه شرودینگر

در سال 2010، آرون اوکانل یک پست کوچک منتشر کرد بشقاب فلزیمات شده محفظه خلاء، که تقریباً خنک شد صفر مطلق. سپس ضربه ای به صفحه اعمال کرد تا به لرزش در بیاید. با این حال، حسگر موقعیت نشان داد که صفحه در عین حال ارتعاش و آرام است، که دقیقاً مطابق با فیزیک کوانتومی نظری است. این اولین باری بود که اصل برهم نهی بر روی اشیاء کلان اثبات شد. در شرایط ایزوله، زمانی که هیچ برهمکنشی بین سیستم‌های کوانتومی وجود ندارد، یک جسم می‌تواند به طور همزمان در تعداد نامحدودی از موقعیت‌های ممکن قرار گیرد، گویی دیگر مادی نیست. ( ویدئو)

گربه کوانتومی چشایر و فیزیک

در سال 2014، توبیاس دنکمیر و همکارانش پرتو نوترونی را به دو پرتو تقسیم کردند و یک سری اندازه گیری های پیچیده را انجام دادند. معلوم شد که تحت شرایط خاص، نوترون ها می توانند در یک پرتو باشند و گشتاور مغناطیسی آنها در پرتوی دیگر. بنابراین، پارادوکس لبخند کوانتومی تایید شد گربه چشایر، زمانی که ذرات و خواص آنها می توانند، طبق تصور ما، در بخش های مختلففضا، مانند یک لبخند جدا از گربه در افسانه "آلیس در سرزمین عجایب". یک بار دیگر معلوم شد که فیزیک کوانتومی مرموزتر و شگفت انگیزتر از هر افسانه ای است! ( ویدیو انگلیسی.)

با تشکر از شما برای خواندن! حالا شما کمی باهوش تر شده اید و این دنیای ما را کمی روشن تر می کند. لینک این مقاله را با دوستان خود به اشتراک بگذارید تا دنیا به مکان بهتری تبدیل شود!

• ترجمه

به گفته اوون مارونی، فیزیکدان در دانشگاه آکسفورد، از زمان ظهور نظریه کوانتومی در دهه 1900، همه از عجیب بودن این نظریه صحبت می کردند. چگونه به ذرات و اتم ها اجازه می دهد تا در چندین جهت به طور همزمان حرکت کنند یا همزمان در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخند. اما کلمات نمی توانند چیزی را ثابت کنند. مارونی می‌گوید: «اگر به مردم بگوییم که نظریه کوانتومی بسیار عجیب است، باید این گزاره را به‌صورت تجربی آزمایش کنیم. «در غیر این صورت، ما علم انجام نمی‌دهیم، بلکه در مورد انواع و اقسام قیچی‌های روی تخته صحبت می‌کنیم.»

این همان چیزی است که به مارونی و همکارانش ایده توسعه داد سری جدیدآزمایش‌هایی برای کشف ماهیت تابع موج - موجودیت مرموز زیربنای عجیب و غریب‌های کوانتومی. بر روی کاغذ، تابع موج به سادگی یک شی ریاضی است که با حرف psi (Ψ) (یکی از آن squiggles) نشان داده می شود و برای توصیف رفتار کوانتومی ذرات استفاده می شود. بسته به آزمایش، تابع موج به دانشمندان اجازه می دهد تا احتمال مشاهده یک الکترون در یک مکان خاص، یا احتمال اینکه اسپین آن به سمت بالا یا پایین باشد را محاسبه کنند. اما ریاضیات به شما نمی گوید که تابع موج در واقع چیست. آیا چیزی فیزیکی است؟ یا صرفاً یک ابزار محاسباتی برای مقابله با ناآگاهی ناظر از دنیای واقعی؟

تست های مورد استفاده برای پاسخ به این سوال بسیار ظریف هستند و هنوز پاسخی قطعی ارائه نکرده اند. اما محققان خوشبین هستند که پایان کار نزدیک است. و بالاخره قادر خواهند بود به سوالاتی که ده ها سال است همه را عذاب داده پاسخ دهند. آیا واقعاً یک ذره می تواند در چندین مکان همزمان باشد؟ آیا جهان دائماً در حال تقسیم شدن است جهان های موازی، که در هر کدام از ما وجود دارد نسخه جایگزین? آیا چیزی به نام «واقعیت عینی» وجود دارد؟

الساندرو فدریچی، فیزیکدان دانشگاه کوئینزلند (استرالیا) می گوید: «همه دیر یا زود سؤالاتی مانند این دارند. "در واقع چه چیزی واقعی است؟"

اختلافات در مورد ماهیت واقعیت حتی زمانی شروع شد که فیزیکدانان کشف کردند که یک موج و یک ذره فقط دو روی یک سکه هستند. یک مثال کلاسیک آزمایش دو شکاف است، که در آن تک تک الکترون‌ها به درون مانعی شلیک می‌شوند که دارای دو شکاف است: الکترون طوری رفتار می‌کند که انگار از دو شکاف به طور همزمان عبور می‌کند و یک الگوی تداخل راه راه در طرف دیگر ایجاد می‌کند. در سال 1926، اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، تابع موجی برای توصیف این رفتار ارائه کرد و معادله ای را استخراج کرد که برای هر موقعیتی قابل محاسبه است. اما نه او و نه هیچ کس دیگری نتوانستند در مورد ماهیت این عملکرد چیزی بگویند.

فیض در جهل

از نظر عملی ماهیت آن مهم نیست. تفسیر کپنهاگ از نظریه کوانتومی، که در دهه 1920 توسط نیلز بور و ورنر هایزنبرگ ایجاد شد، از تابع موج به سادگی به عنوان ابزاری برای پیش‌بینی نتایج مشاهدات استفاده می‌کند، بدون اینکه به آنچه در واقعیت می‌گذرد فکر کند. فیزیکدانان را نمی توان به خاطر این رفتار «خفه شو و بشمار» سرزنش کرد، زیرا منجر به پیشرفت های چشمگیری در فیزیک هسته ای و اتمی، فیزیک شده است. جامدژان بریکمونت، فیزیکدان آماری در دانشگاه کاتولیک بلژیک می گوید: و فیزیک ذرات. بنابراین به مردم توصیه می شود که نگران مسائل اساسی نباشند.

اما برخی هنوز نگران هستند. در دهه 1930، انیشتین تفسیر کپنهاگ را رد کرده بود، نه تنها به این دلیل که به دو ذره اجازه می داد تا توابع موجی خود را در هم ببندند، که منجر به موقعیتی شد که در آن اندازه گیری یکی می توانست فوراً وضعیت دیگری را نشان دهد، حتی اگر با فواصل بسیار زیاد از هم جدا شوند. . فاصله ها. برای اینکه با این «برهم کنش ترسناک از راه دور» کنار نیاید، اینشتین ترجیح داد باور کند که توابع موجی ذرات ناقص هستند. او گفت که ممکن است ذرات دارای متغیرهای پنهانی باشند که نتیجه یک اندازه گیری را تعیین می کند که توسط نظریه کوانتومی مورد توجه قرار نگرفته است.

از آن زمان آزمایش‌ها کارکرد تعامل ترسناک را از راه دور نشان داده‌اند که مفهوم متغیرهای پنهان را رد می‌کند. اما این مانع فیزیکدانان دیگر نشد که آنها را به روش خود تفسیر کنند. این تفاسیر در دو دسته قرار می گیرند. برخی با اینشتین موافقند که تابع موج نشان دهنده نادانی ماست. اینها همان چیزی است که فیلسوفان آن را مدل های روان شناختی می نامند. و دیگران تابع موج را به عنوان یک چیز واقعی - مدل های psi-ontic می بینند.

برای درک تفاوت، بیایید آزمایش فکری شرودینگر را تصور کنیم که او در نامه ای به انیشتین در سال 1935 توضیح داد. گربه در یک جعبه فولادی است. جعبه حاوی نمونه ای از مواد رادیواکتیو است که 50 درصد احتمال دارد محصول پوسیدگی را در یک ساعت آزاد کند و دستگاهی که در صورت تشخیص این محصول گربه را مسموم می کند. از آنجا که تجزیه رادیواکتیوشرودینگر می نویسد: یک رویداد در سطح کوانتومی، قوانین تئوری کوانتومی می گویند که در پایان ساعت، تابع موج درون جعبه باید مخلوطی از یک گربه مرده و یک گربه زنده باشد.

فدریچی به طور ملایم می گوید: «به طور کلی، در مدل روان شناختی، گربه در جعبه یا زنده است یا مرده، و ما فقط آن را نمی دانیم زیرا جعبه بسته است.» و در اکثر مدل‌های psionic با تعبیر کپنهاگ موافق است: تا زمانی که ناظر جعبه را باز نکند، گربه هم زنده و هم مرده خواهد بود.

اما در اینجا اختلاف به بن بست می رسد. کدام تعبیر درست است؟ پاسخ آزمایشی به این سوال دشوار است زیرا تفاوت بین مدل ها بسیار ظریف است. آنها اساساً قرار است همان پدیده کوانتومی تفسیر بسیار موفق کپنهاگ را پیش بینی کنند. اندرو وایت، فیزیکدان دانشگاه کوئینزلند، می گوید که در طول 20 سال فعالیت خود در فناوری کوانتومی، "این مشکل مانند کوهی صاف و بزرگ بدون لبه هایی بود که نمی توانستید به آن نزدیک شوید."

همه چیز در سال 2011 با انتشار قضیه اندازه گیری کوانتومی تغییر کرد که به نظر می رسید رویکرد "تابع موج به عنوان ناآگاهی" را حذف می کند. اما پس از بررسی دقیق تر مشخص شد که این قضیه فضای کافی برای مانور آنها باقی می گذارد. با این حال، فیزیکدانان را برانگیخت تا به طور جدی در مورد راه هایی برای حل اختلاف با آزمایش واقعیت تابع موج فکر کنند. مارونی قبلاً آزمایشی را طراحی کرده بود که در اصل جواب داد و او و همکارانش به زودی راهی برای عملی کردن آن پیدا کردند. این آزمایش سال گذشته توسط Fedrici، White و دیگران انجام شد.

برای درک ایده آزمون، دو دسته کارت را تصور کنید. یکی فقط قرمز دارد، دیگری فقط آس. مارتین رینگباوئر، فیزیکدان همان دانشگاه، می‌گوید: «یک کارت به شما داده می‌شود و از شما خواسته می‌شود که مشخص کنید از کدام دسته است. اگر یک آس قرمز باشد، "یک کراس اوور وجود دارد و شما نمی توانید با اطمینان بگویید." اما اگر می‌دانید در هر عرشه چند کارت وجود دارد، می‌توانید محاسبه کنید که این وضعیت مبهم چند بار پیش می‌آید.

فیزیک در خطر است

همین ابهام در سیستم های کوانتومی نیز اتفاق می افتد. به عنوان مثال، همیشه نمی توان با یک اندازه گیری متوجه شد که یک فوتون چقدر قطبی است. وایت می‌گوید: «در زندگی واقعی، تشخیص غرب و جهت درست در جنوب غرب آسان است، اما در سیستم‌های کوانتومی این کار چندان آسان نیست. با توجه به تفسیر استاندارد کپنهاگ، پرسیدن در مورد قطبی شدن فایده ای ندارد، زیرا سوال پاسخی ندارد - تا زمانی که یک اندازه گیری دیگر دقیقاً پاسخ را مشخص کند. اما با توجه به مدل تابع موج به‌عنوان نادانی، این سؤال منطقی است - فقط این آزمایش، مانند آزمایشی که با دسته‌های کارت‌ها وجود دارد، فاقد اطلاعات است. مانند نقشه ها، می توان پیش بینی کرد که چند موقعیت مبهم را می توان با چنین ناآگاهی توضیح داد و آنها را با تعداد زیادی از موقعیت های مبهم که توسط نظریه استاندارد حل شده است مقایسه کرد.

این دقیقا همان چیزی است که فدریچی و تیمش آزمایش کردند. این تیم قطبش و سایر ویژگی‌های پرتو فوتون را اندازه‌گیری کردند و سطوح تقاطع را پیدا کردند که با مدل‌های «جهل» قابل توضیح نیستند. نتیجه از یک نظریه جایگزین پشتیبانی می کند - اگر واقعیت عینی وجود داشته باشد، تابع موج وجود دارد. این قابل توجه است که تیم توانست این مشکل را حل کند کار دشوارآندریا آلبرتی، فیزیکدان دانشگاه بن (آلمان) می گوید: آزمایش ساده ای است.

نتیجه گیری هنوز مشخص نیست: از آنجایی که آشکارسازها فقط یک پنجم فوتون های مورد استفاده در آزمایش را گرفتند، باید فرض کنیم که فوتون های از دست رفته به همین ترتیب عمل می کنند. این یک فرض قوی است و تیم اکنون در تلاش است تا ضرر و زیان را کاهش دهد و نتیجه قطعی تری به دست آورد. در همین حال، تیم Maroney در آکسفورد در حال کار با دانشگاه نیو ساوت ولز در استرالیا برای تکرار آزمایش با یون‌هایی هستند که ردیابی آنها آسان‌تر است. مارونی می گوید: «در شش ماه آینده نسخه قطعی این آزمایش را خواهیم داشت.

اما حتی اگر آنها موفق باشند و مدل های "عملکرد موج به عنوان واقعیت" برنده شوند، این مدل ها نیز موفق هستند انواع مختلف. آزمایش‌کنندگان باید یکی از آنها را انتخاب کنند.

یکی از اولین تفاسیر در دهه 1920 توسط لویی دو بروگلی فرانسوی انجام شد و در دهه 1950 توسط دیوید بوم آمریکایی گسترش یافت. طبق مدل‌های بروگلی-بوم، ذرات دارای مکان و ویژگی‌های خاصی هستند، اما آنها توسط یک "موج آزمایشی" خاص هدایت می‌شوند که به عنوان یک تابع موج تعریف می‌شود. این آزمایش دو شکاف را توضیح می دهد، زیرا موج راهنما می تواند از هر دو شکاف عبور کند و یک الگوی تداخل ایجاد کند، اگرچه خود الکترون که توسط آن جذب می شود، تنها از یکی از دو شکاف عبور می کند.

در سال 2005، این مدل دریافت کرد پشتیبانی غیر منتظره. فیزیکدانان امانوئل فورت که اکنون در مؤسسه لانژوین در پاریس و ایو کودیه از دانشگاه دیدرو پاریس به دانشجویان می‌گویند مشکل ساده‌ای را به دانشجویان ارائه کردند: آزمایشی را ترتیب دادند که در آن قطره‌های روغنی که روی سینی می‌ریزند به دلیل ارتعاشات این سینی با هم ترکیب می‌شوند. سینی در کمال تعجب همگان، امواجی که سینی با فرکانس مشخصی ارتعاش می کرد، در اطراف قطرات شروع به تشکیل امواج کردند. فورت می گوید: «قطرات شروع به حرکت مستقل روی امواج خود کردند. "این یک جسم دوگانه بود - ذره ای که توسط یک موج کشیده می شد."

Forth و Caudier از آن زمان نشان دادند که چنین امواجی می توانند ذرات خود را در یک آزمایش دو شکاف دقیقاً همانطور که تئوری موج آزمایشی پیش بینی می کند هدایت کنند و می توانند اثرات کوانتومی دیگری را بازتولید کنند. اما این وجود امواج خلبان در دنیای کوانتومی را ثابت نمی کند. فورت می گوید: «به ما گفته شد که چنین تأثیراتی در فیزیک کلاسیک غیرممکن است. "و در اینجا ما نشان دادیم که چه چیزی ممکن است."

مجموعه دیگری از مدل‌های مبتنی بر واقعیت، که در دهه 1980 توسعه یافت، تلاش می‌کند تا تفاوت‌های گسترده در خواص بین اجسام بزرگ و کوچک را توضیح دهد. آنجلو باسی، فیزیکدان دانشگاه تریست (ایتالیا) می‌گوید: چرا الکترون‌ها و اتم‌ها می‌توانند همزمان در دو مکان باشند، اما میزها، صندلی‌ها، مردم و گربه‌ها نمی‌توانند. این تئوری‌ها که به عنوان «مدل‌های فروپاشی» شناخته می‌شوند، می‌گویند که توابع موجی تک تک ذرات واقعی هستند، اما می‌توانند خواص کوانتومی خود را از دست بدهند و ذره را به موقعیت خاصی در فضا وادار کنند. مدل‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که احتمال چنین فروپاشی برای یک ذره بسیار کم است، به طوری که اثرات کوانتومی در سطح اتمی غالب است. اما احتمال فروپاشی با ترکیب ذرات به سرعت افزایش می یابد و اجسام ماکروسکوپی به طور کامل خواص کوانتومی خود را از دست می دهند و مطابق قوانین فیزیک کلاسیک رفتار می کنند.

یکی از راه های آزمایش این است که به دنبال اثرات کوانتومی در اجسام بزرگ بگردید. اگر نظریه کوانتومی استاندارد درست باشد، هیچ محدودیتی در اندازه وجود ندارد. و فیزیکدانان قبلاً آزمایشی دو شکاف با استفاده از مولکول های بزرگ انجام داده اند. اما اگر مدل‌های فروپاشی درست باشند، اثرات کوانتومی بالای یک جرم مشخص قابل مشاهده نخواهند بود. گروه های مختلفآنها قصد دارند این جرم را با استفاده از اتم های سرد، مولکول ها، خوشه های فلزی و نانوذرات جستجو کنند. آنها امیدوارند در ده سال آینده نتایجی را کشف کنند. آنچه در این آزمایش‌ها جالب است این است که ما انجام خواهیم داد نظریه کوانتوممارونی می‌گوید: آزمایش‌های دقیقی که هنوز آزمایش نشده است.

جهان های موازی

یک مدل «تابع موج به عنوان واقعیت» قبلاً توسط نویسندگان داستان های علمی تخیلی شناخته شده و مورد علاقه است. این یک تعبیر چندجهانی است که در دهه 1950 توسط هیو اورت، که در آن زمان دانشجوی دانشگاه پرینستون در نیوجرسی بود، توسعه یافت. در این مدل، تابع موج به قدری توسعه واقعیت را تعیین می کند که با هر اندازه گیری کوانتومی، جهان به جهان های موازی تقسیم می شود. به عبارت دیگر، وقتی جعبه ای را با یک گربه باز می کنیم، دو جهان به دنیا می آوریم - یکی با یک گربه مرده و دیگری با یک گربه زنده.

جدا کردن این تفسیر از نظریه کوانتومی استاندارد دشوار است زیرا پیش‌بینی‌های آنها یکسان است. اما سال گذشته هاوارد وایزمن از دانشگاه گریفیث در بریزبن و همکارانش مدلی قابل آزمایش از چندجهانی را پیشنهاد کردند. هیچ تابع موجی در مدل آنها وجود ندارد - ذرات از فیزیک کلاسیک، قوانین نیوتن پیروی می کنند. و اثرات عجیب دنیای کوانتومیظاهر می شود زیرا نیروهای دافعه بین ذرات و کلون های آنها در جهان های موازی وجود دارد. وایزمن می گوید: «نیروی دافعه بین آنها امواجی را ایجاد می کند که در سراسر جهان های موازی پخش می شوند.

با استفاده از یک شبیه‌سازی رایانه‌ای که در آن ۴۱ جهان با هم تعامل داشتند، نشان دادند که این مدل تقریباً چندین اثر کوانتومی، از جمله مسیر ذرات در آزمایش دو شکاف را بازتولید می‌کند. با افزایش تعداد دنیاها، الگوی تداخل به الگوی واقعی گرایش پیدا می کند. ویزمن می‌گوید از آنجایی که پیش‌بینی‌های این نظریه بسته به تعداد جهان‌ها متفاوت است، می‌توان درستی مدل چندجهانی را آزمایش کرد، یعنی اینکه تابع موجی وجود ندارد و واقعیت طبق قوانین کلاسیک عمل می‌کند.

از آنجایی که تابع موج در این مدل مورد نیاز نیست، حتی اگر آزمایش‌های آینده مدل‌های «جهل» را رد کنند، همچنان قابل اجرا خواهد بود. علاوه بر آن، مدل‌های دیگری نیز باقی خواهند ماند، برای مثال، تفسیر کپنهاگ، که استدلال می‌کند که واقعیت عینی وجود ندارد، بلکه فقط محاسبات وجود دارد.

اما پس از آن، وایت می گوید، این سوال موضوع مطالعه خواهد شد. و در حالی که هنوز هیچ کس نمی داند چگونه این کار را انجام دهد، "چیزی که واقعاً جالب است ایجاد آزمایشی است که آزمایش کند آیا ما حتی یک واقعیت عینی داریم یا خیر."

برای بسیاری از مردم، فیزیک بسیار دور و گیج کننده به نظر می رسد، و فیزیک کوانتوم حتی بیشتر از آن. اما من می خواهم پرده این راز بزرگ را برای شما باز کنم، زیرا در واقعیت همه چیز عجیب و غریب است، اما گشوده می شود.

و همچنین فیزیک کوانتومی یک موضوع عالی برای صحبت با افراد باهوش است.

فیزیک کوانتومی آسان شد

ابتدا باید یک خط بزرگ در سر خود بین دنیای خرد و ماکرو جهان بکشید، زیرا این دنیاها کاملاً متفاوت هستند. هر آنچه در مورد فضایی که با آن آشنا هستید و اشیاء موجود در آن می دانید در فیزیک کوانتومی نادرست و غیرقابل قبول است.

در واقع، میکروذرات تا زمانی که دانشمندان به آنها نگاه نکنند، نه سرعت دارند و نه موقعیت خاصی دارند. این جمله برای ما پوچ به نظر می رسد، برای آلبرت انیشتین چنین به نظر می رسد، اما حتی فیزیکدان بزرگعقب نشینی کرد.

واقعیت این است که تحقیقات ثابت کرده است که اگر یک بار به ذره ای که موقعیت خاصی را اشغال کرده است نگاه کنید و سپس روی خود را برگردانید و دوباره نگاه کنید، خواهید دید که این ذره قبلاً موقعیت کاملاً متفاوتی گرفته است.

این ذرات شیطون

همه چیز ساده به نظر می رسد، اما وقتی به همان ذره نگاه می کنیم، ثابت می ماند. یعنی این ذرات فقط زمانی حرکت می کنند که ما نتوانیم آن را ببینیم.

ماهیت این است که هر ذره (طبق نظریه احتمال) دارای مقیاسی از احتمالات در یک موقعیت یا موقعیت دیگر است. و وقتی دور می شویم و دوباره می چرخیم، می توانیم ذره را در هر یک از موقعیت های ممکن دقیقاً مطابق با مقیاس احتمال بگیریم.

بر اساس این مطالعه، آنها به دنبال ذره در مکان‌های مختلف گشتند، سپس مشاهده آن را متوقف کردند و سپس دوباره به چگونگی تغییر موقعیت آن نگاه کردند. نتیجه به سادگی خیره کننده بود. به طور خلاصه، دانشمندان واقعاً توانستند مقیاسی از احتمالات را ایجاد کنند که در آن این یا آن ذره می تواند قرار گیرد.

به عنوان مثال، یک نوترون توانایی قرار گرفتن در سه موقعیت را دارد. پس از انجام تحقیقات، ممکن است متوجه شوید که در موقعیت اول با احتمال 15٪، در دوم - 60٪، در موقعیت سوم - 25٪ خواهد بود.

هیچ کس هنوز نتوانسته این نظریه را رد کند، بنابراین، به اندازه کافی عجیب، صحیح ترین است.

دنیای ماکرو و دنیای خرد

اگر جسمی را از عالم کلان بگیریم، می بینیم که مقیاس احتمال هم دارد، اما کاملاً متفاوت است. به عنوان مثال، احتمال اینکه شما دور شوید و گوشی خود را در آن سوی دنیا پیدا کنید تقریباً صفر است، اما همچنان وجود دارد.

سپس این سوال پیش می آید که چگونه چنین مواردی هنوز ثبت نشده است؟ این با این واقعیت توضیح داده می شود که احتمال آنقدر کم است که بشریت باید به اندازه سال های زیادی صبر کند که سیاره ما و کل جهان هنوز برای دیدن چنین رویدادی زندگی نکرده اند. به نظر می رسد که تلفن شما تقریباً 100٪ احتمال دارد که دقیقاً همان جایی که آن را دیدید به پایان برسد.

تونل زنی کوانتومی

از اینجا می توانیم به مفهوم تونل زنی کوانتومی برسیم. این مفهوم انتقال تدریجی یک شی (به بیان بسیار تقریبی) به مکانی کاملاً متفاوت بدون هیچ گونه تأثیر خارجی است.

یعنی همه چیز می‌تواند با یک نوترون شروع شود، که در یک نقطه به همان احتمال تقریباً صفر بودن در مکان کاملاً متفاوتی می‌افتد و هر چه تعداد نوترون‌ها در مکان‌های متفاوت بیشتر باشد، احتمال بالاتر می‌رود.

البته، چنین انتقالی به همان اندازه که سیاره ما هنوز زندگی نکرده است، طول می کشد، اما، طبق نظریه فیزیک کوانتومی، تونل زدن کوانتومی انجام می شود.

همچنین بخوانید:

وقتی مردم کلمات "فیزیک کوانتومی" را می شنوند، معمولاً از آن چشم پوشی می کنند: "این چیزی به طرز وحشتناکی پیچیده است." در ضمن، این مطلقاً درست نیست، و مطلقاً هیچ چیز ترسناکی در کلمه "کوانتوم" وجود ندارد. چیزهای نامفهوم زیادی وجود دارد، چیزهای جالب زیادی، اما هیچ چیز ترسناکی وجود ندارد.

در باره قفسه کتاب، نردبان و ایوان ایوانوویچ

تمام فرآیندها، پدیده ها و کمیت ها در دنیای اطراف ما را می توان به دو گروه تقسیم کرد: پیوسته (از نظر علمی پیوستگی ) و ناپیوسته (از نظر علمی گسسته یا کوانتیزه شده ).

میزی را تصور کنید که می توانید کتابی را روی آن قرار دهید. می توانید کتاب را در هر جایی روی میز قرار دهید. راست، چپ، وسط... هر جا که می خواهید، بگذارید. در این مورد، فیزیکدانان می گویند که موقعیت کتاب روی میز تغییر می کند به طور مداوم .

حالا قفسه های کتاب را تصور کنید. شما می توانید یک کتاب را در قفسه اول، در قفسه دوم، در سوم یا در چهارم قرار دهید - اما نمی توانید یک کتاب را "جایی بین سوم و چهارم" قرار دهید. در این صورت جایگاه کتاب تغییر می کند به صورت متناوب , بطور گسسته , کوانتیزه شده (همه این کلمات به یک معنی هستند).

دنیای اطراف ما پر از کمیت های پیوسته و کوانتیزه شده است. اینجا دو دختر هستند - کاتیا و ماشا. قد آنها 135 و 136 سانتی متر است. این چه سایزی است؟ ارتفاع آن می تواند به طور مداوم 135 و نیم سانتی متر یا 135 سانتی متر تغییر کند اما تعداد مدرسه ای که دختران در آن درس می خوانند یک کمیت کوانتیزه شده است! فرض کنید کاتیا در مدرسه 135 درس می خواند و ماشا در مدرسه 136. با این حال هیچ کدامشان نمی توانند در مدرسه 135 و نیم درس بخوانند، درست است؟

نمونه دیگری از سیستم کوانتیزه شده، صفحه شطرنج است. روی یک صفحه شطرنج 64 مربع وجود دارد و هر مهره فقط می تواند یک مربع را اشغال کند. آیا می‌توانیم یک پیاده را در جایی بین سلول‌ها قرار دهیم یا همزمان دو پیاده را روی یک سلول قرار دهیم؟ در واقع می توانیم، اما طبق قوانین، خیر.

نزول پیوسته

و اینجا سرسره در زمین بازی است. کودکان از آن به پایین می لغزند - زیرا ارتفاع سرسره به آرامی و به طور مداوم تغییر می کند. حال تصور کنید که این اسلاید ناگهانی (موج عصای جادویی!) به یک راه پله تبدیل شد. غلت زدن او روی باسن دیگر کارساز نخواهد بود. شما باید با پاهای خود راه بروید - اول یک قدم، سپس یک قدم، سپس یک سوم. اندازه (ارتفاع) تغییر کرده است به طور مداوم - اما شروع به تغییر در مراحل کرد، یعنی بطور مجزا، کوانتیزه شده .

فرود کوانتیزه

بیایید بررسی کنیم!

1. همسایه ایوان ایوانوویچ در خانه، به روستای همسایه رفت و گفت: "در طول راه جایی استراحت خواهم کرد."

2. ایوان ایوانوویچ، یکی از همسایگان خانه، به روستای همسایه رفت و گفت: "با اتوبوس می روم."

کدام یک از این دو حالت («سیستم») را می توان پیوسته و کدام را کوانتیزه در نظر گرفت؟

پاسخ:

در مورد اول، ایوان ایوانوویچ راه می‌رود و می‌تواند در هر نقطه استراحت کند. به معنای، این سیستم- مداوم.

در مرحله دوم، ایوان ایوانوویچ می تواند سوار اتوبوسی شود که به ایستگاه می رسد. ممکن است آن را از دست بدهد و منتظر اتوبوس بعدی بماند. اما او نمی تواند «جایی بین» اتوبوس ها بنشیند. یعنی این سیستم کوانتیزه شده است!

نجوم را مقصر بدانیم

یونانیان باستان به خوبی از وجود کمیت های پیوسته (مستمر) و ناپیوسته (کوانتیزه، ناپیوسته، گسسته) آگاه بودند. ارشمیدس در کتاب خود Psammit (حساب دانه‌های شن) حتی اولین تلاش را برای ایجاد ارتباط ریاضی بین کمیت‌های پیوسته و کوانتیزه انجام داد. با این حال، در آن زمان هیچ فیزیک کوانتومی وجود نداشت.

تا اوایل قرن بیستم وجود نداشت! فیزیکدانان بزرگی مانند گالیله، دکارت، نیوتن، فارادی، یانگ یا ماکسول هرگز در مورد فیزیک کوانتومی نشنیده بودند و بدون آن به خوبی کنار می آمدند. ممکن است بپرسید: پس چرا دانشمندان به فیزیک کوانتومی دست یافتند؟ چه اتفاق خاصی در فیزیک افتاد؟ تصور کنید چه اتفاقی افتاده است. فقط نه در فیزیک، بلکه در نجوم!

همراه مرموز

در سال 1844، اخترشناس آلمانی فردریش بسل بیشترین رصد را انجام داد ستاره درخشانآسمان شب ما - سیریوس. در آن زمان، ستاره شناسان از قبل می دانستند که ستارگان در آسمان ما ساکن نیستند - آنها حرکت می کنند، فقط بسیار بسیار آهسته. علاوه بر این، هر ستاره مهم است! - در یک خط مستقیم حرکت می کند. بنابراین، هنگام مشاهده سیریوس، معلوم شد که او اصلاً در یک خط مستقیم حرکت نمی کند. به نظر می‌رسید که ستاره ابتدا در یک جهت، سپس در جهت دیگر "تکان‌دهنده" است. مسیر سیریوس در آسمان مانند یک خط سینوسی بود که ریاضیدانان آن را "موج سینوسی" می نامند.

ستاره سیریوس و ماهواره آن - سیریوس بی

معلوم بود که خود ستاره نمی تواند اینطور حرکت کند. برای تبدیل حرکت در یک خط مستقیم به حرکت در طول موج سینوسی، نوعی "نیروی مزاحم" مورد نیاز است. بنابراین، بسل پیشنهاد کرد که یک ماهواره سنگین به دور سیریوس می چرخد ​​- این طبیعی ترین و معقول ترین توضیح بود.

با این حال، محاسبات نشان داد که جرم این ماهواره باید تقریباً با جرم خورشید ما برابر باشد. پس چرا ما این ماهواره را از زمین نمی بینیم؟ سیریوس از واقع شده است منظومه شمسینه چندان دور - حدود دو و نیم پارسک و جسمی به اندازه خورشید باید به خوبی قابل مشاهده باشد...

کار سختی بود. برخی از دانشمندان گفتند که این ماهواره یک ستاره سرد و سرد است - بنابراین کاملاً سیاه است و از سیاره ما نامرئی است. برخی دیگر گفتند که این ماهواره سیاه نیست، بلکه شفاف است، به همین دلیل ما آن را نمی بینیم. ستاره شناسان در سراسر جهان از طریق تلسکوپ به سیریوس نگاه کردند و سعی کردند این ماهواره مرموز نامرئی را "گرفتن" کنند، اما به نظر می رسید که آنها را مسخره می کند. چیزی برای تعجب وجود داشت، می دانید ...

ما به یک تلسکوپ معجزه گر نیاز داریم!

مردم از طریق چنین تلسکوپی برای اولین بار ماهواره سیریوس را دیدند

در اواسط قرن نوزدهم، آلوین کلارک، طراح برجسته تلسکوپ، در ایالات متحده زندگی و کار می کرد. در حرفه اول او یک هنرمند بود، اما به طور تصادفی به یک مهندس، شیشه‌ساز و ستاره شناس درجه یک تبدیل شد. تا به حال هیچ کس نتوانسته است از تلسکوپ های لنز شگفت انگیز او پیشی بگیرد! یکی از لنزهای آلوین کلارک (قطر 76 سانتی متر) را می توان در سن پترزبورگ، در موزه رصدخانه پولکوو دید...

با این حال، ما منحرف می شویم. بنابراین، در سال 1867، آلوین کلارک یک تلسکوپ جدید ساخت - با عدسی با قطر 47 سانتی متر. این تلسکوپ در آن زمان بزرگترین تلسکوپ ایالات متحده بود. سیریوس مرموز به عنوان اولین جرم آسمانی که در طول آزمایشات رصد شد انتخاب شد. و امیدهای ستاره شناسان به طرز درخشانی توجیه شد - در همان شب اول، ماهواره گریزان سیریوس، که توسط بسل پیش بینی شده بود، کشف شد.

از ماهیتابه در آتش ...

با این حال، ستاره شناسان با دریافت داده های مشاهدات کلارک، برای مدت طولانی خوشحال نشدند. از این گذشته، طبق محاسبات، جرم ماهواره باید تقریباً با جرم خورشید ما برابر باشد (333000 برابر جرم زمین). اما ستاره شناسان به جای یک جرم آسمانی سیاه (یا شفاف) بزرگ... یک ستاره کوچک سفید را دیدند! این ستاره بسیار داغ بود (25000 درجه، در مقایسه با 5500 درجه خورشید ما) و در عین حال کوچک بود (بر اساس استانداردهای کیهانی)، نه اندازه بیشتر از زمین(پس از آن چنین ستاره هایی "کوتوله های سفید" نامیده شدند). معلوم شد که این ستاره چگالی کاملاً غیرقابل تصور دارد. پس از چه ماده ای تشکیل شده است؟!

در زمین، ما موادی با چگالی بالا می شناسیم - مثلاً سرب (یک مکعب در سمت سانتی متر ساخته شده از این فلز 11.3 گرم وزن دارد) یا طلا (19.3 گرم در هر سانتی متر مکعب). چگالی ماده ماهواره سیریوس (که «سیریوس ب» نامیده شد) است میلیون (!!!) گرم بر سانتی متر مکعب - 52 هزار بار سنگین تر از طلا است!

به عنوان مثال، معمول را در نظر می گیریم قوطی کبریت. حجم آن 28 سانتی متر مکعب است. این بدان معناست که یک قوطی کبریت پر از ماده ماهواره سیریوس... 28 تن وزن خواهد داشت! سعی کنید تصور کنید - یک جعبه کبریت در یک طرف ترازو وجود دارد و یک مخزن در طرف دیگر!

یک مشکل دیگر وجود داشت. در فیزیک قانونی به نام قانون چارلز وجود دارد. وی بیان می کند که در همان حجم، فشار یک ماده بیشتر است، دمای این ماده بیشتر می شود. به یاد داشته باشید که چگونه فشار بخار داغ درب کتری در حال جوش را می شکند - و بلافاصله متوجه خواهید شد که در مورد چه چیزی صحبت می کنیم. پس دمای ماده ماهواره سیریوس همین قانون چارلز را به ناجوانمردانه ترین شکل زیر پا گذاشت! فشار غیر قابل تصور و درجه حرارت نسبتا پایین بود. نتیجه قوانین فیزیکی "اشتباه" و به طور کلی فیزیک "اشتباه" بود. مانند وینی پو - "زنبورهای اشتباه و عسل اشتباه".

سرم کاملا می چرخد...

برای "نجات" فیزیک، در آغاز قرن بیستم، دانشمندان مجبور شدند اعتراف کنند که دو فیزیک در جهان به طور همزمان وجود دارد - یکی "کلاسیک" که برای دو هزار سال شناخته شده است. و دومی غیرعادی است، کوانتومی . دانشمندان پیشنهاد کرده اند که قوانین فیزیک کلاسیک در سطح معمولی و "ماکروسکوپی" جهان ما عمل می کنند. اما در کوچکترین سطح «میکروسکوپی»، ماده و انرژی از قوانین کاملاً متفاوتی پیروی می کنند - قوانین کوانتومی.

سیاره ما زمین را تصور کنید. اکنون بیش از 15000 جسم مختلف مصنوعی به دور آن می چرخند که هر کدام در مدار خود هستند. علاوه بر این، در صورت تمایل می توان این مدار را تغییر داد (اصلاح کرد) - به عنوان مثال، مدار بین المللی ایستگاه فضایی(ISS). این یک سطح ماکروسکوپی است، قوانین فیزیک کلاسیک (به عنوان مثال، قوانین نیوتن) در اینجا کار می کنند.

حالا بیایید به سطح میکروسکوپی برویم. هسته یک اتم را تصور کنید. الکترون‌ها مانند ماهواره‌ها به دور آن می‌چرخند - اما نمی‌توان به تعداد دلخواه آن‌ها وجود داشت (مثلاً یک اتم هلیوم بیش از دو ندارد). و مدارهای الکترون‌ها دیگر دلبخواه نیستند، بلکه کوانتیزه شده و «پله‌ای» خواهند بود. فیزیکدانان چنین مدارهایی را «سطح انرژی مجاز» نیز می نامند. یک الکترون نمی تواند "آرام" از یک سطح مجاز به سطح دیگر حرکت کند، فقط می تواند فوراً از سطحی به سطح دیگر "پرش" کند. من فقط «آنجا» بودم و فوراً خودم را «اینجا» یافتم. او نمی تواند جایی بین «آنجا» و «اینجا» باشد. او بلافاصله مکان را تغییر می دهد.

شگفت انگیز؟ شگفت انگیز! اما این همه ماجرا نیست. واقعیت این است که طبق قوانین فیزیک کوانتومی، دو الکترون یکسان نمی توانند سطح انرژی یکسانی را اشغال کنند. هرگز. دانشمندان این پدیده را "حذف پائولی" می نامند (آنها هنوز نمی توانند توضیح دهند که چرا این "ممنوعیت" وجود دارد). بیشتر از همه، این "ممنوعیت" شبیه یک صفحه شطرنج است که ما به عنوان نمونه ای از یک سیستم کوانتومی ذکر کردیم - اگر پیاده روی یک سلول تخته وجود داشته باشد، نمی توان پیاده دیگری را روی این سلول قرار داد. دقیقاً همین اتفاق در مورد الکترون ها می افتد!

راه حل مشکل

می‌پرسید، فیزیک کوانتومی چگونه پدیده‌های غیرعادی مانند نقض قانون چارلز را در سیریوس B توضیح می‌دهد؟ در اینجا چگونه است.

پارک شهری را تصور کنید که دارای یک زمین رقص است. تعداد زیادی از مردم در خیابان راه می روند، آنها برای رقص به پیست رقص می آیند. بگذارید تعداد افراد در خیابان نشان دهنده فشار و تعداد افراد در دیسکو دما باشد. تعداد زیادی از مردم می توانند وارد پیست رقص شوند - از مردم بیشتریوقتی در پارک قدم می زنیم، هر چه مردم بیشتر در زمین رقص می رقصند، یعنی هر چه فشار بیشتر باشد، دما بالاتر می رود. قوانین فیزیک کلاسیک - از جمله قانون چارلز - اینگونه است. دانشمندان این ماده را "گاز ایده آل" می نامند.

مردم روی زمین رقص "گاز ایده آل" هستند

با این حال، در سطح میکروسکوپی، قوانین فیزیک کلاسیک اعمال نمی شود. قوانین کوانتومی در آنجا شروع به کار می کنند و این وضعیت را به شدت تغییر می دهد.

بیایید تصور کنیم که یک کافه به جای زمین رقص در پارک باز شده است. تفاوت در چیست؟ بله، واقعیت این است که بر خلاف یک دیسکو، "به هر تعداد که دوست دارید" وارد کافه نمی شوند. به محض اینکه تمام صندلی های میزها اشغال شود، امنیت اجازه ورود افراد را نخواهد داد. و تا یکی از مهمانان میز را خالی نکند، حراست به کسی اجازه ورود نمی دهد! افراد بیشتری در پارک قدم می زنند - اما تعداد افراد در کافه ثابت می ماند. به نظر می رسد که فشار افزایش می یابد، اما دما "ایستاده است".

مردم در یک کافه - "گاز کوانتومی"

در داخل سیریوس بی، البته، هیچ مردم، زمین رقص یا کافه وجود ندارد. اما اصل یکسان است: الکترون‌ها تمام سطوح انرژی مجاز را پر می‌کنند (مانند بازدیدکنندگان میزهای یک کافه را پر می‌کنند)، و آنها دیگر نمی‌توانند «به کسی اجازه ورود بدهند» - دقیقاً مطابق با طرد پائولی. در نتیجه، فشار غیرقابل تصوری در داخل ستاره به دست می آید، اما درجه حرارت بالا است، اما برای ستاره ها کاملا معمولی است. در فیزیک، چنین ماده ای "گاز کوانتومی منحط" نامیده می شود.

ادامه بدیم؟..

غیر عادی تراکم بالاکوتوله های سفید تنها پدیده ای در فیزیک هستند که نیاز به استفاده دارند قوانین کوانتومی. اگر این موضوع برای شما جالب است، در شماره های بعدی لوچیک می توانیم در مورد پدیده های کوانتومی دیگر، نه کمتر جالب، صحبت کنیم. نوشتن! فعلاً نکته اصلی را به یاد بیاوریم:

1. در جهان ما (جهان)، قوانین فیزیک کلاسیک در سطح ماکروسکوپی (یعنی "بزرگ") عمل می کنند. آنها خواص مایعات و گازهای معمولی، حرکات ستارگان و سیارات و بسیاری موارد دیگر را توصیف می کنند. این همان فیزیکی است که شما در مدرسه مطالعه می کنید (یا خواهید خواند).

2. با این حال، در سطح میکروسکوپی (یعنی فوق العاده کوچک، میلیون ها بار کوچکتر از کوچکترین باکتری ها)، قوانین کاملاً متفاوتی عمل می کنند - قوانین فیزیک کوانتومی. این قوانین با فرمول های ریاضی بسیار پیچیده توصیف می شوند و در مدرسه مطالعه نمی شوند. با این حال، تنها فیزیک کوانتومی توضیح نسبتاً واضح ساختار اجرام کیهانی شگفت انگیزی مانند کوتوله های سفید (مانند سیریوس B)، ستاره های نوترونی، سیاهچاله ها و غیره را ممکن می سازد.