คุณคงเคยได้ยินมันหลายครั้ง เกี่ยวกับความลึกลับที่อธิบายไม่ได้ของฟิสิกส์ควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม- กฎของมันหลงใหลในเวทย์มนต์และแม้แต่นักฟิสิกส์เองก็ยอมรับว่าพวกเขาไม่เข้าใจกฎเหล่านั้นอย่างถ่องแท้ ในอีกด้านหนึ่ง การเข้าใจกฎเหล่านี้เป็นเรื่องน่าสนใจ แต่ในทางกลับกัน ไม่มีเวลาอ่านหนังสือเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่มีเนื้อหาหลากหลายและซับซ้อน ฉันเข้าใจคุณมากเพราะฉันก็รักความรู้และการแสวงหาความจริงเช่นกัน แต่มีเวลาไม่เพียงพอสำหรับหนังสือทุกเล่ม คุณไม่ได้อยู่คนเดียว มีคนอยากรู้อยากเห็นจำนวนมากพิมพ์ลงในแถบค้นหา: "ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับหุ่นจำลอง กลศาสตร์ควอนตัมสำหรับหุ่นจำลอง ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับผู้เริ่มต้น กลศาสตร์ควอนตัมสำหรับผู้เริ่มต้น พื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม พื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับเด็ก กลศาสตร์ควอนตัมคืออะไร" สิ่งพิมพ์นี้เหมาะสำหรับคุณอย่างแน่นอน.

คุณจะเข้าใจแนวคิดพื้นฐานและความขัดแย้งของฟิสิกส์ควอนตัม จากบทความคุณจะได้เรียนรู้:

• ฟิสิกส์ควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัมคืออะไร?
• การรบกวนคืออะไร?
• Quantum Entanglement คืออะไร (หรือ Quantum Teleportation สำหรับ Dummies) (ดูบทความ)
• การทดลองทางความคิดของแมวของชโรดิงเงอร์คืออะไร (ดูบทความ)

กลศาสตร์ควอนตัมเป็นส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ควอนตัม

เหตุใดจึงยากที่จะเข้าใจวิทยาศาสตร์เหล่านี้? คำตอบนั้นง่ายมาก: ฟิสิกส์ควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม (ส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ควอนตัม) ศึกษากฎของโลกใบเล็ก และกฎเหล่านี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากกฎของจักรวาลมหภาคของเรา ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะจินตนาการว่าเกิดอะไรขึ้นกับอิเล็กตรอนและโฟตอนในพิภพเล็ก ๆ

ตัวอย่างความแตกต่างระหว่างกฎของมหภาคและโลกใบเล็ก: ใน Macroworld ของเรา ถ้าคุณใส่ลูกบอลลงในกล่องใดกล่องหนึ่งจาก 2 กล่อง กล่องหนึ่งจะว่างเปล่า และอีกกล่องหนึ่งจะมีลูกบอล แต่ในพิภพเล็ก ๆ (ถ้ามีอะตอมแทนที่จะเป็นลูกบอล) อะตอมสามารถอยู่ในสองกล่องในเวลาเดียวกันได้ สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองหลายครั้ง มันไม่ยากที่จะคลุมหัวของคุณเกี่ยวกับเรื่องนี้เหรอ? แต่คุณไม่สามารถโต้เถียงกับข้อเท็จจริงได้

อีกตัวอย่างหนึ่งคุณถ่ายภาพรถสปอร์ตสีแดงที่วิ่งเร็ว และในภาพคุณเห็นแถบแนวนอนที่พร่ามัว ราวกับว่ารถนั้นตั้งอยู่ที่จุดต่างๆ ในอวกาศในขณะที่ถ่ายภาพ แม้ว่าคุณจะเห็นอะไรในภาพ แต่คุณยังคงแน่ใจว่ารถอยู่ในวินาทีนั้นเมื่อคุณถ่ายภาพ ในที่แห่งหนึ่งในอวกาศ- ในโลกใบเล็ก ทุกสิ่งทุกอย่างแตกต่างออกไป อิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมไม่ได้หมุนจริงๆ แต่ ตั้งอยู่พร้อมกันทุกจุดของทรงกลมรอบนิวเคลียสของอะตอม เหมือนก้อนขนแกะที่พันกันหลวมๆ แนวคิดทางฟิสิกส์นี้เรียกว่า "คลาวด์อิเล็กทรอนิกส์" .

ทัศนศึกษาสั้น ๆ ในประวัติศาสตร์นักวิทยาศาสตร์นึกถึงโลกควอนตัมเป็นครั้งแรกเมื่อในปี 1900 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน มักซ์ พลังค์ พยายามค้นหาว่าทำไมโลหะจึงเปลี่ยนสีเมื่อถูกความร้อน เขาเป็นผู้แนะนำแนวคิดเรื่องควอนตัม จนกระทั่งถึงตอนนั้น นักวิทยาศาสตร์คิดว่าแสงเดินทางอย่างต่อเนื่อง บุคคลแรกที่ให้ความสำคัญกับการค้นพบของพลังค์อย่างจริงจังคืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งในขณะนั้นไม่มีใครรู้จัก เขาตระหนักว่าแสงไม่ใช่แค่คลื่น บางครั้งเขาก็มีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบว่าแสงถูกปล่อยออกมาเป็นบางส่วน (ควอนตัม) ควอนตัมของแสงเรียกว่าโฟตอน ( โฟตอน, วิกิพีเดีย) .

เพื่อให้เข้าใจกฎของควอนตัมได้ง่ายขึ้น นักฟิสิกส์และ กลศาสตร์ (วิกิพีเดีย)ในแง่หนึ่ง เราจะต้องเป็นนามธรรมจากกฎของฟิสิกส์คลาสสิกที่เราคุ้นเคย และลองจินตนาการว่าคุณดำดิ่งลงสู่โพรงกระต่ายในแดนมหัศจรรย์เช่นเดียวกับอลิซ

และนี่คือการ์ตูนสำหรับเด็กและผู้ใหญ่อธิบายการทดลองพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมที่มี 2 สลิตและผู้สังเกตการณ์ ใช้เวลาเพียง 5 นาที ดูก่อนที่เราจะเจาะลึกคำถามพื้นฐานและแนวคิดของฟิสิกส์ควอนตัม

วิดีโอฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับหุ่นจำลอง- ในการ์ตูนให้ใส่ใจกับ “ดวงตา” ของผู้สังเกต มันกลายเป็นปริศนาอันร้ายแรงสำหรับนักฟิสิกส์

การรบกวนคืออะไร?

ในตอนต้นของการ์ตูน โดยใช้ตัวอย่างของของเหลว มันแสดงให้เห็นว่าคลื่นมีพฤติกรรมอย่างไร - มีแถบแนวตั้งสีเข้มและสีอ่อนสลับกันปรากฏบนหน้าจอด้านหลังแผ่นที่มีรอยกรีด และในกรณีที่อนุภาคที่แยกจากกัน (เช่น ก้อนกรวด) ถูก "ยิง" ไปที่จาน พวกมันจะลอยผ่าน 2 ช่องและตกลงบนหน้าจอตรงข้ามกับช่องนั้น และพวกเขา "วาด" แถบแนวตั้งเพียง 2 แถบบนหน้าจอ

การรบกวนของแสง- นี่คือพฤติกรรม "คลื่น" ของแสง เมื่อหน้าจอแสดงแถบแนวตั้งสว่างและมืดสลับกันจำนวนมาก แถบแนวตั้งเหล่านี้ด้วย เรียกว่ารูปแบบการรบกวน.

ในจักรวาลมหภาคของเรา เรามักจะสังเกตเห็นว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น หากคุณวางมือไว้หน้าเทียน บนผนังจะไม่มีเงาที่ชัดเจนจากมือของคุณ แต่มีรูปทรงที่พร่ามัว

ดังนั้นมันจึงไม่ซับซ้อนขนาดนั้น! ตอนนี้ค่อนข้างชัดเจนสำหรับเราว่าแสงมีลักษณะเป็นคลื่น และหากช่อง 2 ช่องสว่างด้วยแสง จากนั้นเราจะเห็นรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอด้านหลัง ทีนี้มาดูการทดลองครั้งที่ 2 กัน นี่คือการทดลอง Stern-Gerlach ที่มีชื่อเสียง (ซึ่งดำเนินการในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ผ่านมา)

การจัดวางที่อธิบายไว้ในการ์ตูนไม่ได้ส่องแสงด้วยแสง แต่เป็นการ "ยิง" ด้วยอิเล็กตรอน (เป็นอนุภาคเดี่ยว) จากนั้น เมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ทั่วโลกเชื่อว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานของสสาร และไม่ควรมีลักษณะเป็นคลื่น แต่เหมือนกับก้อนกรวด ท้ายที่สุดแล้ว อิเล็กตรอนก็เป็นอนุภาคมูลฐานของสสารใช่ไหม? นั่นคือถ้าคุณ "โยน" พวกมันออกเป็น 2 ช่องเหมือนก้อนกรวด เราควรเห็นแถบแนวตั้ง 2 แถบบนหน้าจอด้านหลังรอยกรีด

แต่... ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่งมาก นักวิทยาศาสตร์เห็นรูปแบบการรบกวน - มีแถบแนวตั้งจำนวนมาก นั่นคืออิเล็กตรอนก็เหมือนกับแสง ที่สามารถมีลักษณะเป็นคลื่นและสามารถรบกวนได้ ในทางกลับกัน เห็นได้ชัดว่าแสงไม่ได้เป็นเพียงคลื่นเท่านั้น แต่ยังเป็นอนุภาคเล็กๆ ด้วย - โฟตอน (จาก ข้อมูลทางประวัติศาสตร์ในตอนต้นของบทความ เราได้เรียนรู้ว่าไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบครั้งนี้)

บางทีคุณอาจจำได้ว่าที่โรงเรียนเราได้รับการบอกเล่าในวิชาฟิสิกส์ "ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค"- หมายความว่าเมื่อเราพูดถึงอนุภาคขนาดเล็กมาก (อะตอม, อิเล็กตรอน) ของพิภพเล็ก ๆ แล้ว พวกมันเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค

วันนี้คุณและฉันฉลาดมาก และเราเข้าใจดีว่าการทดลอง 2 อย่างที่อธิบายไว้ข้างต้น - การถ่ายภาพด้วยอิเล็กตรอนและช่องให้แสงสว่างด้วยแสง - เป็นสิ่งเดียวกัน เพราะเรายิงอนุภาคควอนตัมไปที่กรีด ตอนนี้เรารู้แล้วว่าทั้งแสงและอิเล็กตรอนมีลักษณะเป็นควอนตัม ซึ่งเป็นทั้งคลื่นและอนุภาคในเวลาเดียวกัน และเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ผลลัพธ์ของการทดลองนี้ก็เป็นเรื่องที่น่ายินดี

ความสนใจ! ตอนนี้เรามาดูประเด็นที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นกันดีกว่า

เราส่องแสงโฟตอน (อิเล็กตรอน) ลงบนรอยกรีดของเรา และเห็นรูปแบบการรบกวน (แถบแนวตั้ง) ด้านหลังรอยกรีดบนหน้าจอ มันเป็นที่ชัดเจน. แต่เราสนใจที่จะดูว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวบินผ่านช่องดังกล่าวอย่างไร

สมมุติว่าอิเล็กตรอนตัวหนึ่งบินเข้าไปในช่องด้านซ้าย และอีกตัวหนึ่งบินไปทางขวา แต่ควรมีแถบแนวตั้ง 2 แถบปรากฏบนหน้าจอตรงข้ามกับช่อง เหตุใดรูปแบบการรบกวนจึงเกิดขึ้น บางทีอิเล็กตรอนอาจมีปฏิกิริยาต่อกันบนหน้าจอหลังจากบินผ่านรอยกรีด และผลลัพธ์ที่ได้คือรูปแบบคลื่นแบบนี้ เราจะติดตามเรื่องนี้ได้อย่างไร?

เราจะโยนอิเล็กตรอนไม่อยู่ในลำแสง แต่จะปล่อยทีละตัว โยนเลยรอโยนอันต่อไป เมื่ออิเล็กตรอนบินเพียงลำพัง ก็จะไม่สามารถโต้ตอบกับอิเล็กตรอนตัวอื่นบนหน้าจอได้อีกต่อไป เราจะบันทึกอิเล็กตรอนแต่ละตัวบนหน้าจอหลังจากการโยน แน่นอนว่าหนึ่งหรือสองจะไม่ "วาดภาพ" ให้เราชัดเจน แต่เมื่อเราส่งพวกมันจำนวนมากเข้าไปในกรีดทีละครั้ง เราจะสังเกตเห็น... โอ้ สยอง - พวกมัน "ดึง" รูปแบบคลื่นรบกวนอีกครั้ง!

เราเริ่มจะบ้าๆ บอๆ ไปเรื่อยๆ ท้ายที่สุดเราคาดว่าจะมีแถบแนวตั้ง 2 แถบอยู่ตรงข้ามช่อง! ปรากฎว่าเมื่อเราโยนโฟตอนทีละตัว แต่ละโฟตอนจะผ่านไปเหมือนเดิมผ่าน 2 กรีดพร้อมกันและเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับตัวมันเอง มหัศจรรย์! กลับมาอธิบายปรากฏการณ์นี้ในหัวข้อถัดไป

สปินและการซ้อนคืออะไร?

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าการรบกวนคืออะไร นี่คือพฤติกรรมคลื่นของอนุภาคขนาดเล็ก - โฟตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ (เพื่อความง่าย ต่อไปนี้จะเรียกพวกมันว่าโฟตอน)

จากผลของการทดลอง เมื่อเราโยนโฟตอน 1 โฟตอนออกเป็น 2 ช่อง เราก็พบว่ามันดูเหมือนบินผ่านช่องสองช่องพร้อมกัน มิฉะนั้นเราจะอธิบายรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอได้อย่างไร?

แต่เราจะจินตนาการถึงโฟตอนที่บินผ่านช่องสองช่องพร้อมกันได้อย่างไร มี 2 ​​ตัวเลือก

• ตัวเลือกที่ 1:โฟตอนเหมือนคลื่น (เหมือนน้ำ) “ลอย” ผ่านช่อง 2 ช่องพร้อมกัน
• ตัวเลือกที่ 2:โฟตอนเหมือนอนุภาคบินไปพร้อมกัน 2 วิถี (ไม่ใช่แม้แต่สอง แต่ทั้งหมดพร้อมกัน)

โดยหลักการแล้ว ข้อความเหล่านี้เทียบเท่ากัน เรามาถึง "เส้นทางอินทิกรัล" นี่คือสูตรกลศาสตร์ควอนตัมของริชาร์ด ไฟน์แมน

โดยวิธีการที่แน่นอน ริชาร์ด ไฟน์แมนเป็นของ การแสดงออกที่มีชื่อเสียง, อะไร เราสามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่าไม่มีใครเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม

แต่การแสดงออกถึงผลงานของเขาเมื่อต้นศตวรรษนี้ แต่ตอนนี้เราฉลาดแล้วและรู้ว่าโฟตอนสามารถทำงานเป็นทั้งอนุภาคและคลื่นได้ ว่าเขาสามารถบินผ่าน 2 ช่องในเวลาเดียวกันในทางที่ไม่อาจเข้าใจได้สำหรับเรา ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายสำหรับเราที่จะเข้าใจข้อความสำคัญของกลศาสตร์ควอนตัมต่อไปนี้:

พูดอย่างเคร่งครัด กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าพฤติกรรมโฟตอนนี้เป็นกฎ ไม่ใช่ข้อยกเว้น ตามกฎแล้วอนุภาคควอนตัมใดๆ จะอยู่ในหลายสถานะหรือหลายจุดในอวกาศพร้อมกัน

วัตถุแห่งมาโครเวิลด์สามารถอยู่ในสถานที่เฉพาะแห่งเดียวและอยู่ในสถานะเฉพาะแห่งเดียวเท่านั้น แต่อนุภาคควอนตัมมีอยู่ตามกฎของมันเอง และเธอไม่สนใจด้วยซ้ำว่าเราไม่เข้าใจพวกเขา นั่นคือประเด็น

เราแค่ต้องยอมรับตามสัจพจน์ว่า "การทับซ้อน" ของวัตถุควอนตัมหมายความว่ามันสามารถอยู่บน 2 วิถีขึ้นไปในเวลาเดียวกัน ใน 2 จุดขึ้นไปในเวลาเดียวกัน

เช่นเดียวกับพารามิเตอร์โฟตอนอื่น - หมุน (โมเมนตัมเชิงมุมของมันเอง) สปินเป็นเวกเตอร์ วัตถุควอนตัมถือได้ว่าเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กมาก เราคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าเวกเตอร์แม่เหล็ก (หมุน) นั้นมีทิศทางขึ้นหรือลง แต่อิเล็กตรอนหรือโฟตอนบอกเราอีกครั้งว่า "เพื่อนๆ เราไม่สนใจสิ่งที่คุณคุ้นเคย เราสามารถอยู่ในสถานะการหมุนทั้งสองแบบพร้อมกัน (เวกเตอร์ขึ้น, เวกเตอร์ลง) เช่นเดียวกับที่เราอยู่ใน 2 วิถีที่ พร้อมกันหรือ 2 แต้มพร้อมกัน!

"การวัด" หรือ "การยุบฟังก์ชันคลื่น" คืออะไร?

เหลืออีกเพียงเล็กน้อยให้เราเข้าใจว่า "การวัด" คืออะไร และ "การล่มสลายของฟังก์ชันคลื่น" คืออะไร

ฟังก์ชั่นคลื่นเป็นคำอธิบายสถานะของวัตถุควอนตัม (โฟตอนหรืออิเล็กตรอนของเรา)

สมมติว่าเรามีอิเล็กตรอนอยู่ตัวหนึ่ง มันก็บินเข้าหาตัวมันเอง ในสภาวะไม่มีกำหนด การหมุนของมันจะพุ่งขึ้นและลงในเวลาเดียวกัน- เราจำเป็นต้องวัดสภาพของเขา

มาวัดกันโดยใช้. สนามแม่เหล็ก: อิเล็กตรอนที่หมุนไปในทิศทางของสนามจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางหนึ่ง และอิเล็กตรอนที่หมุนไปในทิศทางของสนาม - ในอีกทิศทางหนึ่ง โฟตอนจำนวนมากสามารถถูกส่งไปยังฟิลเตอร์โพลาไรซ์ได้ หากการหมุน (โพลาไรซ์) ของโฟตอนเป็น +1 โฟตอนจะผ่านตัวกรอง แต่ถ้าเป็น -1 ก็ไม่ผ่าน

หยุด! ที่นี่คุณจะมีคำถามอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้:ก่อนทำการวัด อิเล็กตรอนไม่มีทิศทางการหมุนที่แน่นอนใช่ไหม? เขาอยู่ในทุกรัฐในเวลาเดียวกันใช่ไหม?

นี่คือเคล็ดลับและความรู้สึกของกลศาสตร์ควอนตัม- ตราบใดที่คุณไม่ได้วัดสถานะของวัตถุควอนตัม มันสามารถหมุนไปในทิศทางใดก็ได้ (มีทิศทางของเวกเตอร์ของโมเมนตัมเชิงมุมของมันเอง - หมุน) แต่ในขณะที่คุณวัดสถานะของเขา ดูเหมือนว่าเขาจะตัดสินใจว่าจะยอมรับเวกเตอร์สปินตัวใด

วัตถุควอนตัมนี้เจ๋งมาก มันทำหน้าที่ตัดสินใจเกี่ยวกับสถานะของมันและเราไม่สามารถคาดเดาล่วงหน้าได้ว่าจะตัดสินใจอย่างไรเมื่อมันบินเข้าสู่สนามแม่เหล็กที่เราวัดมัน ความน่าจะเป็นที่เขาจะตัดสินใจว่าจะมีเวกเตอร์การหมุน “ขึ้น” หรือ “ลง” คือ 50 ถึง 50% แต่ทันทีที่เขาตัดสินใจ เขาก็อยู่ในสภาวะหนึ่งที่มีทิศทางการหมุนที่เฉพาะเจาะจง เหตุผลในการตัดสินใจของเขาคือ “มิติ” ของเรา!

สิ่งนี้เรียกว่า " การล่มสลายของฟังก์ชันคลื่น"- ฟังก์ชันคลื่นก่อนการวัดมีความไม่แน่นอน กล่าวคือ เวกเตอร์การหมุนของอิเล็กตรอนพร้อมกันในทุกทิศทาง หลังจากการวัด อิเล็กตรอนจะบันทึกทิศทางที่แน่นอนของเวกเตอร์การหมุนของมัน

ความสนใจ! ตัวอย่างที่ดีเยี่ยมสำหรับความเข้าใจคือการเชื่อมโยงจากจักรวาลมหภาคของเรา:

หมุนเหรียญบนโต๊ะเหมือนลูกข่าง ในขณะที่เหรียญกำลังหมุนอยู่นั้นมันไม่มีความหมายเฉพาะเจาะจง - หัวหรือก้อย แต่ทันทีที่คุณตัดสินใจที่จะ "วัด" มูลค่านี้และตบเหรียญด้วยมือ นั่นคือเวลาที่คุณจะได้สถานะเฉพาะของเหรียญ - หัวหรือก้อย ทีนี้ลองจินตนาการว่าเหรียญนี้ตัดสินใจว่าจะ "แสดง" ค่าใดให้คุณเห็น - หัวหรือก้อย อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกันโดยประมาณ

ตอนนี้จำการทดลองที่แสดงไว้ท้ายการ์ตูน เมื่อโฟตอนถูกส่งผ่านรอยกรีด พวกมันจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นและแสดงรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอ และเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการบันทึก (วัด) ช่วงเวลาของโฟตอนที่บินผ่านช่องและวาง "ผู้สังเกตการณ์" ไว้ด้านหลังหน้าจอ โฟตอนก็เริ่มมีพฤติกรรมไม่เหมือนคลื่น แต่เหมือนอนุภาค และพวกเขาก็ "วาด" แถบแนวตั้ง 2 แถบบนหน้าจอ เหล่านั้น. ในขณะที่ทำการวัดหรือการสังเกต วัตถุควอนตัมเองก็เลือกว่าควรจะอยู่ในสถานะใด

มหัศจรรย์! มันไม่ได้เป็น?

แต่นั่นไม่ใช่ทั้งหมด ในที่สุดเราก็ เรามาถึงส่วนที่น่าสนใจที่สุดแล้ว

แต่... สำหรับฉันดูเหมือนว่ามันจะมีข้อมูลมากเกินไป ดังนั้นเราจะพิจารณา 2 แนวคิดนี้ในโพสต์แยกกัน:

• เกิดอะไรขึ้น ?
• การทดลองทางความคิดคืออะไร

ตอนนี้คุณต้องการจัดเรียงข้อมูลหรือไม่? ดู สารคดีซึ่งจัดทำโดยสถาบันแคนาดา ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี- ใน 20 นาทีมันสั้นมากและ ตามลำดับเวลาคุณจะได้รับแจ้งเกี่ยวกับการค้นพบฟิสิกส์ควอนตัมทั้งหมด โดยเริ่มจากการค้นพบของพลังค์ในปี 1900 จากนั้นพวกเขาจะบอกคุณว่าขณะนี้มีการพัฒนาเชิงปฏิบัติอะไรบ้างบนพื้นฐานของความรู้ในฟิสิกส์ควอนตัม ตั้งแต่นาฬิกาอะตอมที่แม่นยำที่สุดไปจนถึงการคำนวณคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่รวดเร็วเป็นพิเศษ ฉันขอแนะนำให้ดูหนังเรื่องนี้มาก

พบกันใหม่!

ฉันขอให้ทุกคนมีแรงบันดาลใจสำหรับแผนงานและโครงการทั้งหมดของพวกเขา!

ป.ล. 2 เขียนคำถามและความคิดของคุณในความคิดเห็น เขียน คุณสนใจคำถามอื่นใดเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมอีกบ้าง

ป.ล. 3 สมัครสมาชิกบล็อก - แบบฟอร์มสมัครสมาชิกอยู่ใต้บทความ

ในปี ค.ศ. 1803 โทมัส ยัง ฉายลำแสงไปยังฉากทึบแสงที่มีรอยกรีดสองช่อง แทนที่จะเห็นแถบแสงสองแถบที่คาดไว้บนหน้าจอการฉายภาพ เขากลับเห็นแถบแสงหลายแถบ ราวกับว่ามีการรบกวน (ซ้อน) ของคลื่นแสงสองลูกจากแต่ละช่อง ในความเป็นจริง ฟิสิกส์ควอนตัมถือกำเนิดขึ้นในขณะนี้ หรือเป็นคำถามที่เป็นแกนกลางของมันเอง ใน XX และ ศตวรรษที่ XXIแสดงให้เห็นว่าไม่เพียงแต่แสงเท่านั้น แต่ยังมีอนุภาคมูลฐานเดี่ยวใดๆ และแม้แต่โมเลกุลบางตัวก็มีพฤติกรรมเหมือนคลื่น เหมือนควอนต้า ราวกับว่าผ่านช่องทั้งสองในเวลาเดียวกัน อย่างไรก็ตาม หากคุณวางเซ็นเซอร์ไว้ที่รอยกรีดเพื่อกำหนดว่าเกิดอะไรขึ้นกับอนุภาคในบริเวณนี้และยังคงผ่านรอยกรีดนั้นอยู่ มีเพียงสองแถบเท่านั้นที่ปรากฏบนหน้าจอการฉายภาพ ราวกับว่าเป็นข้อเท็จจริงของการสังเกต (อิทธิพลทางอ้อม) ทำลายฟังก์ชันคลื่นและวัตถุมีพฤติกรรมเหมือนสสาร - วิดีโอ)

หลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กเป็นรากฐานของฟิสิกส์ควอนตัม!

ต้องขอบคุณการค้นพบในปี 1927 นักวิทยาศาสตร์และนักศึกษาหลายพันคนทำการทดลองง่ายๆ เดิมๆ ซ้ำโดยข้ามไป รังสีเลเซอร์ผ่านช่องว่างที่แคบลง ตามหลักการแล้ว เส้นที่มองเห็นได้จากเลเซอร์บนหน้าจอการฉายภาพจะแคบลงเรื่อยๆ เมื่อช่องว่างลดลง แต่ในช่วงเวลาหนึ่ง เมื่อรอยกรีดแคบลงเพียงพอ จุดจากเลเซอร์ก็เริ่มกว้างขึ้นเรื่อยๆ ทอดยาวไปทั่วหน้าจอและหรี่ลงจนกระทั่งรอยกรีดหายไป นี่เป็นข้อพิสูจน์ที่ชัดเจนที่สุดถึงแก่นสารของฟิสิกส์ควอนตัม - หลักการความไม่แน่นอนของเวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่โดดเด่น สาระสำคัญก็คือ ยิ่งเรากำหนดคุณลักษณะคู่หนึ่งของระบบควอนตัมได้แม่นยำมากเท่าใด คุณลักษณะที่สองก็จะยิ่งไม่แน่นอนมากขึ้นเท่านั้น ใน ในกรณีนี้ยิ่งเราระบุพิกัดของโฟตอนเลเซอร์ได้แม่นยำยิ่งขึ้นด้วยช่องที่แคบลง โมเมนตัมของโฟตอนเหล่านี้ก็จะยิ่งไม่แน่นอนมากขึ้นเท่านั้น ในจักรวาลมหภาค เรายังสามารถวัดตำแหน่งที่แน่นอนของดาบบินได้อย่างแม่นยำโดยการหยิบมันขึ้นมาหรือทิศทางของมัน แต่ไม่ใช่ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากสิ่งนี้ขัดแย้งและรบกวนซึ่งกันและกัน - วิดีโอ)

ตัวนำยิ่งยวดควอนตัมและเอฟเฟกต์ Meissner

ในปี 1933 Walter Meissner ค้นพบปรากฏการณ์ที่น่าสนใจในฟิสิกส์ควอนตัม: เมื่อเย็นลงถึง อุณหภูมิต่ำสุดในตัวนำยิ่งยวด สนามแม่เหล็กจะถูกแทนที่ด้วยขอบเขตของมัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ Meissner หากวางแม่เหล็กธรรมดาบนอลูมิเนียม (หรือตัวนำยิ่งยวดอื่น) แล้วทำให้เย็นลงด้วยไนโตรเจนเหลว แม่เหล็กจะลอยขึ้นและแขวนอยู่ในอากาศ เนื่องจากมันจะ "เห็น" สนามแม่เหล็กของมันเองที่มีขั้วเดียวกันแทนที่จาก อลูมิเนียมระบายความร้อนและ ด้านที่เหมือนกันแม่เหล็กขับไล่ - วิดีโอ)

ความเป็นของเหลวยิ่งยวดของควอนตัม

ในปี 1938 Pyotr Kapitsa ทำให้ฮีเลียมเหลวเย็นลงจนมีอุณหภูมิใกล้ศูนย์ และพบว่าสารสูญเสียความหนืดไป ปรากฏการณ์ในฟิสิกส์ควอนตัมนี้เรียกว่า superfluidity ถ้าฮีเลียมเหลวเย็นลงที่ก้นแก้ว แก้วจะยังคงไหลออกมาตามผนัง ที่จริงแล้ว ตราบใดที่ฮีเลียมเย็นเพียงพอ ก็ไม่มีขีดจำกัดในการรั่วไหล ไม่ว่ารูปร่างหรือขนาดของภาชนะจะเป็นอย่างไร ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 และต้นศตวรรษที่ 21 มีการค้นพบสภาพของเหลวยิ่งยวดภายใต้เงื่อนไขบางประการในไฮโดรเจนและก๊าซต่างๆ - วิดีโอ)

อุโมงค์ควอนตัม

ในปี 1960 Ivor Jayever ได้ทำการทดลองทางไฟฟ้ากับตัวนำยิ่งยวดซึ่งแยกจากกันด้วยฟิล์มขนาดเล็กของอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ไม่นำไฟฟ้า ปรากฎว่าอิเล็กตรอนบางตัวยังคงผ่านฉนวนซึ่งตรงกันข้ามกับฟิสิกส์และตรรกะ สิ่งนี้ยืนยันทฤษฎีเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของปรากฏการณ์อุโมงค์ควอนตัม มันไม่เพียงแต่ใช้กับไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังใช้กับอนุภาคมูลฐานใดๆ อีกด้วย พวกมันยังเป็นคลื่นตามฟิสิกส์ควอนตัมอีกด้วย พวกมันสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางได้หากความกว้างของสิ่งกีดขวางเหล่านี้น้อยกว่าความยาวคลื่นของอนุภาค ยิ่งสิ่งกีดขวางแคบลง อนุภาคก็จะทะลุผ่านได้บ่อยขึ้นเท่านั้น - วิดีโอ)

การพัวพันควอนตัมและการเคลื่อนย้ายมวลสาร

ในปี 1982 นักฟิสิกส์ Alain Aspe ผู้ได้รับรางวัลในอนาคต รางวัลโนเบลส่งโฟตอนที่สร้างขึ้นพร้อมกันสองตัวไปยังเซ็นเซอร์หลายทิศทางเพื่อกำหนดการหมุนของพวกมัน (โพลาไรเซชัน) ปรากฎว่าการวัดการหมุนของโฟตอนหนึ่งจะส่งผลต่อตำแหน่งของการหมุนของโฟตอนที่สองทันทีซึ่งจะตรงกันข้าม นี่คือวิธีการพิสูจน์ความเป็นไปได้ของการพัวพันกับควอนตัม อนุภาคมูลฐานและการเทเลพอร์ตควอนตัม ในปี 2008 นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดสถานะของโฟตอนที่พันกันในควอนตัมได้ที่ระยะทาง 144 กิโลเมตร และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันยังคงเกิดขึ้นทันที ราวกับว่าพวกมันอยู่ในที่เดียวกันหรือไม่มีที่ว่าง เชื่อกันว่าหากโฟตอนที่พันกันด้วยควอนตัมไปสิ้นสุดในส่วนตรงข้ามของจักรวาล ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันจะยังคงเกิดขึ้นทันที แม้ว่าแสงจะใช้เวลาหลายหมื่นล้านปีเพื่อเดินทางในระยะทางเท่ากันก็ตาม เป็นเรื่องที่น่าสงสัย แต่ตามข้อมูลของ Einstein ไม่มีเวลาสำหรับโฟตอนที่เดินทางด้วยความเร็วแสง นี่เป็นเรื่องบังเอิญหรือเปล่า? นักฟิสิกส์แห่งอนาคตไม่คิดอย่างนั้น! - วิดีโอ)

เอฟเฟกต์ควอนตัมซีโนและการหยุดเวลา

ในปี 1989 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย David Wineland ได้สังเกตอัตราการเปลี่ยนแปลงของเบริลเลียมไอออนระหว่างระดับอะตอม ปรากฎว่าความจริงในการวัดสถานะของไอออนทำให้การเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะช้าลง ในตอนต้นของศตวรรษที่ 21 ในการทดลองที่คล้ายกันกับอะตอมของรูบิเดียม มีการชะลอตัวลงถึง 30 เท่า ทั้งหมดนี้คือการยืนยันเอฟเฟกต์ซีโนควอนตัม ความหมายของมันคือ ข้อเท็จจริงในการวัดสถานะของอนุภาคที่ไม่เสถียรในฟิสิกส์ควอนตัมจะทำให้อัตราการสลายตัวของมันช้าลง และในทางทฤษฎีแล้ว สามารถหยุดอนุภาคนั้นได้อย่างสมบูรณ์ - วิดีโอภาษาอังกฤษ)

ยางลบควอนตัมพร้อมตัวเลือกล่าช้า

ในปี 1999 ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Marlan Scali ได้ควบคุมโฟตอนผ่านช่องสองช่อง ซึ่งด้านหลังมีปริซึมที่แปลงโฟตอนที่โผล่ออกมาแต่ละโฟตอนเป็นโฟตอนที่พันกันด้วยควอนตัมคู่หนึ่ง และแยกพวกมันออกเป็นสองทิศทาง โฟตอนที่ส่งครั้งแรกไปยังเครื่องตรวจจับหลัก ทิศทางที่สองส่งโฟตอนไปยังระบบที่มีตัวสะท้อนแสงและตัวตรวจจับ 50% ปรากฎว่าหากโฟตอนจากทิศทางที่สองไปถึงเครื่องตรวจจับที่กำหนดช่องที่ปล่อยออกมา เครื่องตรวจจับหลักจะบันทึกโฟตอนที่จับคู่ไว้เป็นอนุภาค หากโฟตอนจากทิศทางที่สองไปถึงเครื่องตรวจจับซึ่งตรวจไม่พบรอยแยกที่มันปล่อยออกมา เครื่องตรวจจับหลักจะบันทึกโฟตอนที่จับคู่กันเป็นคลื่น การวัดโฟตอนหนึ่งไม่เพียงสะท้อนถึงคู่ควอนตัมที่พันกันของมันเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นนอกเหนือจากระยะทางและเวลาด้วย เนื่องจากระบบเครื่องตรวจจับรองบันทึกโฟตอนช้ากว่าโฟตอนหลัก ราวกับว่าอนาคตเป็นตัวกำหนดอดีต เชื่อกันว่านี่เป็นการทดลองที่น่าทึ่งที่สุดไม่เพียง แต่ในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ควอนตัมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ทั้งหมดด้วยเนื่องจากมันจะบ่อนทำลายรากฐานตามปกติของโลกทัศน์หลายประการ - วิดีโอภาษาอังกฤษ)

การทับซ้อนควอนตัมและแมวของชโรดิงเงอร์

ในปี 2010 Aaron O'Connell โพสต์เรื่องเล็ก แผ่นเหล็กกลายเป็นทึบแสง ห้องสุญญากาศซึ่งเย็นลงเกือบถึง เป็นศูนย์สัมบูรณ์- จากนั้นเขาก็ใช้แรงกระตุ้นไปที่จานเพื่อให้จานสั่นสะเทือน อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์ตำแหน่งแสดงให้เห็นว่าจานสั่นและเงียบในเวลาเดียวกัน ซึ่งสอดคล้องกับฟิสิกส์ควอนตัมเชิงทฤษฎีทุกประการ นี่เป็นครั้งแรกที่หลักการของการซ้อนทับบนวัตถุมาโครได้รับการพิสูจน์ ในสภาวะที่แยกออกจากกัน เมื่อไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบควอนตัม วัตถุสามารถอยู่ในตำแหน่งที่เป็นไปได้ไม่จำกัดจำนวนพร้อมกัน ราวกับว่ามันไม่มีวัตถุอีกต่อไป - วิดีโอ)

ควอนตัมเชสเชียร์แมวและฟิสิกส์

ในปี 2014 Tobias Denkmair และเพื่อนร่วมงานของเขาแยกลำแสงนิวตรอนออกเป็นสองลำและทำการตรวจวัดที่ซับซ้อนชุดหนึ่ง ปรากฎว่าภายใต้สถานการณ์บางอย่าง นิวตรอนสามารถอยู่ในลำแสงเดียวและมีโมเมนต์แม่เหล็กของพวกมันอยู่ในลำแสงอีกลำหนึ่ง ดังนั้นความขัดแย้งของรอยยิ้มควอนตัมจึงได้รับการยืนยัน แมวเชสเชียร์เมื่ออนุภาคและคุณสมบัติของพวกมันสามารถเป็นไปตามการรับรู้ของเราได้ ส่วนต่างๆพื้นที่ราวกับรอยยิ้ม นอกเหนือจากแมวในเทพนิยาย “อลิซในแดนมหัศจรรย์” เป็นอีกครั้งที่ฟิสิกส์ควอนตัมกลายเป็นเรื่องลึกลับและน่าทึ่งยิ่งกว่าเทพนิยาย! - วิดีโอภาษาอังกฤษ.)

ขอบคุณสำหรับการอ่าน! ตอนนี้คุณฉลาดขึ้นเล็กน้อยแล้วและทำให้โลกของเราสดใสขึ้นเล็กน้อย แชร์ลิงก์บทความนี้กับเพื่อนของคุณ แล้วโลกจะน่าอยู่ยิ่งขึ้น!

• การแปล

ตามที่ Owen Maroney นักฟิสิกส์จาก มหาวิทยาลัยอ๊อกซฟอร์ดนับตั้งแต่ทฤษฎีควอนตัมถือกำเนิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1900 ทุกคนต่างพูดถึงความแปลกประหลาดของทฤษฎีนี้ ช่วยให้อนุภาคและอะตอมเคลื่อนที่ได้หลายทิศทางในเวลาเดียวกัน หรือหมุนตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาในเวลาเดียวกัน แต่คำพูดไม่สามารถพิสูจน์อะไรได้ “ถ้าเราบอกต่อสาธารณชนว่าทฤษฎีควอนตัมแปลกมาก เราจำเป็นต้องทดสอบข้อความนี้ด้วยการทดลอง” มาโรนีย์กล่าว “ไม่อย่างนั้น เราจะไม่ทำวิทยาศาสตร์ แต่พูดถึงเรื่องยุ่งๆ ทุกประเภทบนกระดาน”

นี่คือสิ่งที่ทำให้ Maroney และเพื่อนร่วมงานของเขามีแนวคิดที่จะพัฒนา ซีรีย์ใหม่การทดลองเพื่อเปิดเผยแก่นแท้ของฟังก์ชันคลื่น - เอนทิตีลึกลับที่อยู่ภายใต้ความแปลกประหลาดของควอนตัม บนกระดาษ ฟังก์ชันคลื่นเป็นเพียงวัตถุทางคณิตศาสตร์ เขียนแทนด้วยตัวอักษร psi (Ψ) (หนึ่งในเส้นหยักเหล่านั้น) และใช้เพื่ออธิบายพฤติกรรมควอนตัมของอนุภาค ฟังก์ชันคลื่นช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คำนวณความน่าจะเป็นที่จะเห็นอิเล็กตรอนในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง หรือโอกาสที่การหมุนของมันจะหมุนขึ้นหรือลง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการทดลอง แต่คณิตศาสตร์ไม่ได้บอกคุณว่าจริงๆ แล้วฟังก์ชันคลื่นคืออะไร มันเป็นสิ่งที่ทางกายภาพหรือไม่? หรือเป็นเพียงเครื่องมือคำนวณเพื่อจัดการกับความไม่รู้ของผู้สังเกตการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริง?

การทดสอบที่ใช้ในการตอบคำถามนั้นละเอียดอ่อนมากและยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจน แต่นักวิจัยมองโลกในแง่ดีว่าจุดจบใกล้เข้ามาแล้ว และในที่สุดพวกเขาก็จะสามารถตอบคำถามที่ทรมานทุกคนมานานหลายทศวรรษได้ในที่สุด อนุภาคสามารถอยู่หลายตำแหน่งพร้อมกันได้จริงหรือ? จักรวาลแบ่งออกเป็นอย่างต่อเนื่อง โลกคู่ขนานซึ่งแต่ละอย่างก็มีเราอยู่ด้วย เวอร์ชันทางเลือก- สิ่งที่เรียกว่า "ความเป็นจริงเชิงวัตถุ" มีอยู่จริงหรือไม่?

“ทุกคนมีคำถามแบบนี้ไม่ช้าก็เร็ว” อเลสซานโดร เฟดริชชี นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ (ออสเตรเลีย) กล่าว “สิ่งที่เป็นจริงคืออะไร?”

การโต้เถียงเกี่ยวกับแก่นแท้ของความเป็นจริงเริ่มต้นขึ้นเมื่อนักฟิสิกส์ค้นพบว่าคลื่นและอนุภาคเป็นเพียงสองด้านของเหรียญเดียวกัน ตัวอย่างคลาสสิกคือการทดลองแบบสลิตคู่ โดยที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวถูกยิงเข้าไปในสิ่งกีดขวางที่มีสองสลิต อิเล็กตรอนจะมีพฤติกรรมราวกับว่ามันผ่านสองสลิตพร้อมกัน ทำให้เกิดรูปแบบการรบกวนแบบแถบที่อีกด้านหนึ่ง ในปี 1926 นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ได้คิดค้นฟังก์ชันคลื่นเพื่ออธิบายพฤติกรรมนี้ และได้สมการที่สามารถคำนวณได้สำหรับทุกสถานการณ์ แต่เขาและใครก็ตามไม่สามารถพูดอะไรเกี่ยวกับธรรมชาติของฟังก์ชันนี้ได้

พระคุณในความไม่รู้

จากมุมมองเชิงปฏิบัติ ธรรมชาติของมันไม่สำคัญ การตีความทฤษฎีควอนตัมในโคเปนเฮเกนซึ่งสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 โดย Niels Bohr และ Werner Heisenberg ใช้ฟังก์ชันคลื่นเพียงเป็นเครื่องมือในการทำนายผลลัพธ์ของการสังเกต โดยไม่ต้องคำนึงถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในความเป็นจริง “นักฟิสิกส์ไม่สามารถถูกตำหนิสำหรับพฤติกรรม “หุบปากแล้วนับ” นี้ เนื่องจากพฤติกรรมดังกล่าวได้นำไปสู่การค้นพบครั้งสำคัญในฟิสิกส์นิวเคลียร์และอะตอมมิก ฟิสิกส์ แข็งและฟิสิกส์ของอนุภาค” Jean Bricmont นักฟิสิกส์เชิงสถิติจากมหาวิทยาลัยคาทอลิกแห่งเบลเยียมกล่าว “ดังนั้น ประชาชนควรไม่ต้องกังวลกับปัญหาพื้นฐาน”

แต่บางคนก็ยังกังวลอยู่ ในช่วงทศวรรษที่ 1930 ไอน์สไตน์ปฏิเสธการตีความแบบโคเปนเฮเกน ไม่น้อยเพราะมันยอมให้อนุภาคสองตัวเข้ามายุ่งเกี่ยวกับฟังก์ชันคลื่นของมัน นำไปสู่สถานการณ์ที่การวัดอนุภาคหนึ่งสามารถบอกสถานะของอีกอนุภาคได้ทันที แม้ว่าพวกมันจะถูกแยกจากกันด้วยระยะทางมหาศาลก็ตาม . ระยะทาง. เพื่อไม่ให้ตกลงกับ "ปฏิสัมพันธ์อันน่าสะพรึงกลัวในระยะไกล" ไอน์สไตน์จึงเลือกที่จะเชื่อว่าฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคไม่สมบูรณ์ เขากล่าวว่าเป็นไปได้ที่อนุภาคจะมีตัวแปรที่ซ่อนอยู่ซึ่งเป็นตัวกำหนดผลลัพธ์ของการวัดที่ทฤษฎีควอนตัมไม่ได้สังเกตเห็น

การทดลองได้แสดงให้เห็นถึงการทำงานของปฏิสัมพันธ์ที่น่ากลัวในระยะไกล ซึ่งปฏิเสธแนวคิดเรื่องตัวแปรที่ซ่อนอยู่ แต่สิ่งนี้ไม่ได้หยุดนักฟิสิกส์คนอื่นๆ ไม่ให้ตีความสิ่งเหล่านั้นในแบบของตนเอง การตีความเหล่านี้แบ่งออกเป็นสองค่าย บางคนเห็นด้วยกับไอน์สไตน์ว่าฟังก์ชันคลื่นสะท้อนถึงความไม่รู้ของเรา เหล่านี้คือสิ่งที่นักปรัชญาเรียกว่าแบบจำลอง psi-epistemic และคนอื่นๆ มองว่าฟังก์ชันคลื่นเป็นของจริง - แบบจำลอง psi-ontic

เพื่อให้เข้าใจถึงความแตกต่าง ลองจินตนาการถึงการทดลองทางความคิดของชโรดิงเงอร์ ซึ่งเขาอธิบายไว้ในจดหมายถึงไอน์สไตน์เมื่อปี 1935 แมวอยู่ในกล่องเหล็ก กล่องประกอบด้วยตัวอย่างสารกัมมันตภาพรังสีที่มีโอกาส 50% ที่จะปล่อยผลิตภัณฑ์สลายตัวภายในหนึ่งชั่วโมง และเครื่องที่จะวางยาพิษต่อแมวหากตรวจพบผลิตภัณฑ์นี้ เพราะว่า การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีชเรอดิงเงอร์เขียนเหตุการณ์ระดับควอนตัม กฎของทฤษฎีควอนตัมบอกว่าเมื่อสิ้นสุดชั่วโมง ฟังก์ชันคลื่นที่อยู่ภายในกล่องจะต้องเป็นส่วนผสมระหว่างแมวที่ตายแล้วและแมวที่มีชีวิต

“ถ้าพูดโดยคร่าวๆ” เฟดดริชชีอธิบายอย่างอ่อนโยน “ในรูปแบบ psi-epistemic แมวในกล่องนั้นยังมีชีวิตอยู่หรือตายแล้ว และเราก็ไม่รู้เพราะกล่องปิดอยู่” และในแบบจำลอง psionic ส่วนใหญ่มีความสอดคล้องกับการตีความแบบโคเปนเฮเกน: จนกว่าผู้สังเกตการณ์จะเปิดกล่อง แมวก็จะมีทั้งเป็นและตาย

แต่ที่นี่ข้อพิพาทก็ถึงทางตัน การตีความข้อใดเป็นจริง? คำถามนี้ตอบได้ยากในการทดลองเนื่องจากความแตกต่างระหว่างแบบจำลองนั้นละเอียดอ่อนมาก โดยพื้นฐานแล้วพวกเขาควรจะทำนายปรากฏการณ์ควอนตัมแบบเดียวกับการตีความโคเปนเฮเกนที่ประสบความสำเร็จอย่างมาก แอนดรูว์ ไวท์ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์กล่าวว่าตลอดการทำงานด้านเทคโนโลยีควอนตัมเป็นเวลา 20 ปี "ปัญหานี้เหมือนกับภูเขาเรียบขนาดใหญ่ที่ไม่มีขอบซึ่งคุณไม่สามารถเข้าถึงได้"

ทุกอย่างเปลี่ยนไปในปี 2011 ด้วยการตีพิมพ์ทฤษฎีบทการวัดควอนตัม ซึ่งดูเหมือนจะขจัดแนวทาง "ฟังก์ชันคลื่นเนื่องจากความไม่รู้" ออก แต่เมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิด ปรากฎว่าทฤษฎีบทนี้เหลือพื้นที่เพียงพอสำหรับการซ้อมรบ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ได้สร้างแรงบันดาลใจให้นักฟิสิกส์คิดอย่างจริงจังเกี่ยวกับวิธีการแก้ไขข้อโต้แย้งโดยการทดสอบความเป็นจริงของฟังก์ชันคลื่น มาโรนีย์ได้ออกแบบการทดลองที่ได้ผลตามหลักการแล้ว และในไม่ช้าเขาและเพื่อนร่วมงานก็พบวิธีที่จะทำให้การทดลองนั้นได้ผลในทางปฏิบัติ การทดลองนี้ดำเนินการเมื่อปีที่แล้วโดย Fedrici, White และคนอื่นๆ

เพื่อให้เข้าใจแนวคิดของการทดสอบ ลองจินตนาการถึงไพ่สองสำรับ อันหนึ่งมีเพียงสีแดง ส่วนอีกอันมีเอซเท่านั้น “คุณได้รับการ์ดและขอให้ระบุว่ามันมาจากสำรับใด” Martin Ringbauer นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเดียวกันกล่าว หากเป็นเอซสีแดง "จะต้องมีการครอสโอเวอร์และคุณไม่สามารถบอกได้อย่างแน่นอน" แต่ถ้าคุณรู้ว่าแต่ละสำรับมีไพ่กี่ใบ คุณสามารถคำนวณได้ว่าสถานการณ์ที่ไม่ชัดเจนนี้จะเกิดขึ้นบ่อยแค่ไหน

ฟิสิกส์ตกอยู่ในอันตราย

ความคลุมเครือเดียวกันนี้เกิดขึ้นในระบบควอนตัม เราไม่สามารถทราบได้เสมอไปว่าโฟตอนมีโพลาไรซ์จากการวัดเพียงครั้งเดียว “ในชีวิตจริง มันง่ายที่จะแยกแยะระหว่างทิศตะวันตกและทิศทางใต้ของตะวันตก แต่ในระบบควอนตัม มันไม่ง่ายเลย” ไวท์กล่าว ตามการตีความมาตรฐานของโคเปนเฮเกน ไม่มีประโยชน์ที่จะถามเกี่ยวกับโพลาไรเซชัน เนื่องจากคำถามไม่มีคำตอบ จนกว่าการวัดอีกครั้งหนึ่งจะกำหนดคำตอบที่แน่ชัด แต่ตามแบบจำลองฟังก์ชันคลื่นเหมือนความไม่รู้ คำถามนี้สมเหตุสมผล—เพียงว่าการทดลองขาดข้อมูล เช่นเดียวกับการทดลองที่มีสำรับไพ่ เช่นเดียวกับแผนที่ มีความเป็นไปได้ที่จะทำนายจำนวนสถานการณ์ที่คลุมเครือที่สามารถอธิบายด้วยความไม่รู้ดังกล่าว และเปรียบเทียบกับสถานการณ์ที่คลุมเครือจำนวนมากที่แก้ไขโดยทฤษฎีมาตรฐาน

นี่คือสิ่งที่ Fedrici และทีมของเขาทดสอบ ทีมงานตรวจวัดโพลาไรเซชันและคุณสมบัติอื่นๆ ในลำแสงโฟตอน และพบระดับจุดตัดที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลอง "ความไม่รู้" ผลลัพธ์สนับสนุนทฤษฎีทางเลือก - หากความเป็นจริงเชิงวัตถุมีอยู่ ฟังก์ชันคลื่นก็มีอยู่ “เป็นเรื่องที่น่าประทับใจที่ทีมงานสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ งานที่ยากลำบากการทดลองง่ายๆ เช่นนี้” Andrea Alberti นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบอนน์ (เยอรมนี) กล่าว

ข้อสรุปยังไม่ชัดเจน: เนื่องจากเครื่องตรวจจับจับได้เพียงหนึ่งในห้าของโฟตอนที่ใช้ในการทดสอบ เราจึงต้องสันนิษฐานว่าโฟตอนที่หายไปมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกัน นี่เป็นสมมติฐานที่ชัดเจน และตอนนี้ทีมงานกำลังทำงานเพื่อลดความสูญเสียและสร้างผลลัพธ์ที่ชัดเจนยิ่งขึ้น ในขณะเดียวกัน ทีมงานของ Maroney ที่ Oxford กำลังทำงานร่วมกับมหาวิทยาลัย New South Wales ในออสเตรเลีย เพื่อจำลองการทดลองด้วยไอออนที่ติดตามได้ง่ายกว่า “ในอีกหกเดือนข้างหน้า เราจะได้ข้อสรุปของการทดลองนี้” มาโรนีย์กล่าว

แต่ถึงแม้ว่าพวกเขาจะประสบความสำเร็จและโมเดล "ฟังก์ชันคลื่นตามความเป็นจริง" ชนะ โมเดลเหล่านี้ก็มีเช่นกัน ตัวแปรที่แตกต่างกัน- ผู้ทดลองจะต้องเลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง

การตีความที่เก่าแก่ที่สุดครั้งหนึ่งเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 โดยชาวฝรั่งเศส หลุยส์ เดอ บรอกลี และขยายขอบเขตออกไปในทศวรรษปี 1950 โดยเดวิด โบห์ม ชาวอเมริกัน ตามแบบจำลองของ Broglie-Bohm อนุภาคมีตำแหน่งและคุณสมบัติเฉพาะ แต่ถูกขับเคลื่อนโดย "คลื่นนำร่อง" ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นฟังก์ชันคลื่น สิ่งนี้อธิบายการทดลองแบบสองช่อง เนื่องจากคลื่นนำร่องสามารถผ่านช่องทั้งสองและสร้างรูปแบบการรบกวน แม้ว่าอิเล็กตรอนเองจะถูกดึงดูดโดยมัน แต่จะผ่านช่องใดช่องหนึ่งจากสองช่องเท่านั้น

ในปี พ.ศ. 2548 รุ่นนี้ได้รับ การสนับสนุนที่ไม่คาดคิด- นักฟิสิกส์ เอ็มมานูเอล ฟอร์ต ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่สถาบัน Langevin ในปารีส และ Yves Caudier จากมหาวิทยาลัย Paris Diderot ให้สิ่งที่พวกเขาคิดว่าเป็นปัญหาง่ายๆ แก่นักศึกษา นั่นคือทำการทดลองโดยมีหยดน้ำมันที่ตกลงบนถาดจะรวมตัวกันเนื่องจากการสั่นสะเทือนของ ถาด. ทำให้ทุกคนประหลาดใจ คลื่นเริ่มก่อตัวรอบๆ หยดในขณะที่ถาดสั่นสะเทือนที่ความถี่หนึ่ง “หยดน้ำเริ่มเคลื่อนที่อย่างอิสระบนคลื่นของมันเอง” ฟอร์ตกล่าว “มันเป็นวัตถุคู่ - อนุภาคที่ถูกคลื่นดึง”

นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา Forth และ Caudier ได้แสดงให้เห็นว่าคลื่นดังกล่าวสามารถนำอนุภาคของพวกมันในการทดลองแบบสลิตคู่เหมือนกับที่ทฤษฎีคลื่นนำร่องทำนายไว้ และสามารถสร้างเอฟเฟกต์ควอนตัมอื่นๆ ได้ แต่นี่ไม่ได้พิสูจน์การมีอยู่ของคลื่นนำร่องในโลกควอนตัม “เราได้รับแจ้งว่าเอฟเฟกต์ดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ในฟิสิกส์คลาสสิก” ฟอร์ตกล่าว “และที่นี่เราได้แสดงให้เห็นสิ่งที่เป็นไปได้”

แบบจำลองตามความเป็นจริงอีกชุดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1980 พยายามที่จะอธิบายความแตกต่างอย่างมากในคุณสมบัติระหว่างวัตถุขนาดใหญ่และขนาดเล็ก “ทำไมอิเล็กตรอนและอะตอมสามารถอยู่ในสองแห่งพร้อมกันได้ แต่โต๊ะ เก้าอี้ คน และแมวไม่สามารถ” Angelo Basi นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Trieste (อิตาลี) กล่าว ทฤษฎีเหล่านี้รู้จักกันในชื่อ "แบบจำลองการยุบตัว" ที่ว่าฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคแต่ละตัวนั้นมีอยู่จริง แต่อาจสูญเสียคุณสมบัติควอนตัมและบังคับให้อนุภาคอยู่ในตำแหน่งเฉพาะในอวกาศ แบบจำลองได้รับการออกแบบเพื่อให้โอกาสที่อนุภาคแต่ละอนุภาคจะพังทลายลงนั้นมีน้อยมาก ดังนั้นเอฟเฟกต์ควอนตัมจึงมีอิทธิพลเหนือระดับอะตอม แต่ความน่าจะเป็นที่จะพังทลายจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออนุภาครวมตัวกัน และวัตถุขนาดมหภาคจะสูญเสียคุณสมบัติควอนตัมไปโดยสิ้นเชิงและประพฤติตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิก

วิธีหนึ่งในการทดสอบนี้คือการมองหาเอฟเฟกต์ควอนตัมในวัตถุขนาดใหญ่ หากทฤษฎีควอนตัมมาตรฐานถูกต้อง ก็จะไม่มีการจำกัดขนาด และนักฟิสิกส์ได้ทำการทดลองแบบสลิตสองครั้งโดยใช้โมเลกุลขนาดใหญ่แล้ว แต่หากแบบจำลองการยุบตัวถูกต้อง ผลควอนตัมจะไม่สามารถมองเห็นได้เหนือมวลที่กำหนด กลุ่มต่างๆพวกเขาวางแผนที่จะค้นหามวลนี้โดยใช้อะตอมเย็น โมเลกุล กระจุกโลหะ และอนุภาคนาโน พวกเขาหวังว่าจะค้นพบผลลัพธ์ในอีกสิบปีข้างหน้า “สิ่งที่ยอดเยี่ยมสำหรับการทดลองเหล่านี้ก็คือเราจะทดลอง ทฤษฎีควอนตัมการทดสอบที่แม่นยำในกรณีที่ยังไม่ได้ทดสอบ” Maroney กล่าว

โลกคู่ขนาน

แบบจำลอง "ฟังก์ชันคลื่นตามความเป็นจริง" แบบจำลองหนึ่งเป็นที่รู้จักและเป็นที่ชื่นชอบของนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ นี่เป็นการตีความจากหลายโลกที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 โดยฮิวจ์ เอเวอเรตต์ ซึ่งเป็นนักศึกษาที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ในขณะนั้น ในแบบจำลองนี้ ฟังก์ชันคลื่นเป็นตัวกำหนดการพัฒนาของความเป็นจริงอย่างยิ่ง โดยการวัดควอนตัมแต่ละครั้ง จักรวาลจะแยกออกเป็นโลกคู่ขนาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อเราเปิดกล่องที่มีแมว เราจะให้กำเนิดจักรวาลสองแห่ง - จักรวาลหนึ่งมีแมวที่ตายแล้ว และอีกจักรวาลหนึ่งมีจักรวาลที่มีชีวิต

เป็นการยากที่จะแยกการตีความนี้ออกจากทฤษฎีควอนตัมมาตรฐานเนื่องจากการทำนายเหมือนกัน แต่เมื่อปีที่แล้ว Howard Wiseman จากมหาวิทยาลัยกริฟฟิธในบริสเบนและเพื่อนร่วมงานของเขาได้เสนอแบบจำลองที่ทดสอบได้ของลิขสิทธิ์ ไม่มีฟังก์ชันคลื่นในแบบจำลอง อนุภาคเป็นไปตามฟิสิกส์คลาสสิก กฎของนิวตัน และเอฟเฟกต์แปลกๆ โลกควอนตัมปรากฏขึ้นเนื่องจากมีแรงผลักกันระหว่างอนุภาคกับโคลนของพวกมันในจักรวาลคู่ขนาน “แรงผลักกันระหว่างพวกมันทำให้เกิดคลื่นที่แผ่กระจายไปทั่วโลกคู่ขนาน” ไวส์แมนกล่าว

ด้วยการใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ซึ่งมี 41 จักรวาลโต้ตอบกัน พวกเขาแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองนี้สร้างเอฟเฟกต์ควอนตัมหลายอย่างคร่าวๆ รวมถึงวิถีโคจรของอนุภาคในการทดลองแบบสลิตคู่ เมื่อจำนวนของโลกเพิ่มขึ้น รูปแบบการรบกวนก็มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นกับโลกจริง เนื่องจากการทำนายของทฤษฎีแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับจำนวนของโลก ไวส์แมนกล่าว จึงเป็นไปได้ที่จะทดสอบว่าแบบจำลองลิขสิทธิ์ถูกต้องหรือไม่ กล่าวคือ ไม่มีฟังก์ชันคลื่นและความเป็นจริงดำเนินไปตามกฎคลาสสิก

เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ฟังก์ชันคลื่นในโมเดลนี้ จึงยังคงใช้งานได้แม้ว่าการทดลองในอนาคตจะตัดโมเดล "ความไม่รู้" ออกไปก็ตาม นอกจากนี้ โมเดลอื่นๆ จะยังคงอยู่ต่อไป เช่น การตีความแบบโคเปนเฮเกน ซึ่งโต้แย้งว่าไม่มีความเป็นจริงตามวัตถุประสงค์ มีแต่การคำนวณเท่านั้น

แต่แล้วไวท์ก็พูดว่า คำถามนี้จะกลายเป็นเป้าหมายของการศึกษา และในขณะที่ยังไม่มีใครรู้ว่าต้องทำอย่างไร “สิ่งที่น่าสนใจจริงๆ ก็คือการพัฒนาแบบทดสอบที่ทดสอบว่าเรามีความเป็นจริงตามวัตถุประสงค์หรือไม่”

สำหรับหลายๆ คน ฟิสิกส์ดูเหมือนห่างไกลและสับสนมาก และฟิสิกส์ควอนตัมก็ดูห่างไกลกว่านั้นอีก แต่ฉันอยากจะเปิดม่านแห่งความลึกลับอันยิ่งใหญ่นี้ให้กับคุณ เพราะในความเป็นจริง ทุกสิ่งกลับกลายเป็นเรื่องแปลกแต่กลับไม่เปิดเผย

และฟิสิกส์ควอนตัมก็เป็นวิชาที่ดีเยี่ยมในการพูดคุยกับคนฉลาดด้วย

ฟิสิกส์ควอนตัมเป็นเรื่องง่าย

ขั้นแรก คุณต้องลากเส้นใหญ่ในหัวของคุณระหว่างโลกไมโครและมาโครเวิลด์ เพราะโลกเหล่านี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิง ทุกสิ่งที่คุณรู้เกี่ยวกับอวกาศที่คุณคุ้นเคยและวัตถุในอวกาศนั้นเป็นเท็จและเป็นที่ยอมรับในฟิสิกส์ควอนตัมไม่ได้

ในความเป็นจริง อนุภาคขนาดเล็กไม่มีทั้งความเร็วและตำแหน่งเฉพาะจนกว่านักวิทยาศาสตร์จะพิจารณาพวกมัน คำพูดนี้ดูเหมือนไร้สาระสำหรับเรา และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ก็ดูเหมือนเป็นเช่นนั้น แต่ก็เช่นกัน นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ถอยหลัง

ความจริงก็คือการวิจัยได้พิสูจน์แล้วว่าหากคุณดูอนุภาคที่อยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งแล้วหันหลังกลับและมองอีกครั้ง คุณจะเห็นว่าอนุภาคนี้มีตำแหน่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

อนุภาคซุกซนเหล่านี้

ทุกสิ่งดูเรียบง่าย แต่เมื่อเรามองอนุภาคเดียวกัน มันก็หยุดนิ่ง นั่นคืออนุภาคเหล่านี้จะเคลื่อนที่เฉพาะเมื่อเรามองไม่เห็นเท่านั้น

สาระสำคัญก็คือแต่ละอนุภาค (ตามทฤษฎีความน่าจะเป็น) มีระดับความน่าจะเป็นที่จะอยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง และเมื่อเราหันหลังแล้วหันกลับอีกครั้ง เราก็สามารถจับอนุภาคในตำแหน่งที่เป็นไปได้ใดๆ ได้อย่างแม่นยำตามระดับความน่าจะเป็น

จากการศึกษานี้ พวกเขามองหาอนุภาคในตำแหน่งต่างๆ จากนั้นหยุดสังเกตมัน และดูว่าตำแหน่งของมันเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่งมาก โดยสรุป นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างระดับความน่าจะเป็นได้จริงๆ ที่สามารถระบุตำแหน่งอนุภาคนั้นหรืออนุภาคนั้นได้

ตัวอย่างเช่น นิวตรอนมีความสามารถที่จะอยู่ในสามตำแหน่ง หลังจากทำการวิจัยคุณอาจพบว่าในตำแหน่งแรกจะมีความน่าจะเป็น 15% ในตำแหน่งที่สอง - 60% ในตำแหน่งที่สาม - 25%

ยังไม่มีใครสามารถหักล้างทฤษฎีนี้ได้ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่ถูกต้องที่สุดอย่างผิดปกติ

มาโครเวิลด์และไมโครเวิลด์

หากเรานำวัตถุมาจากจักรวาลมหภาค เราจะเห็นว่าวัตถุนั้นมีระดับความน่าจะเป็นเช่นกัน แต่จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น ความน่าจะเป็นที่คุณจะหันหลังกลับและพบโทรศัพท์ในอีกซีกโลกหนึ่งนั้นเกือบจะเป็นศูนย์ แต่ก็ยังมีอยู่

แล้วคำถามก็เกิดขึ้น: เหตุใดกรณีดังกล่าวจึงไม่ได้รับการบันทึก? สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าความน่าจะเป็นนั้นมีน้อยมากจนมนุษยชาติต้องรอหลายปีเท่าที่โลกของเราและจักรวาลทั้งหมดยังไม่ได้มีชีวิตอยู่เพื่อดูเหตุการณ์ดังกล่าว ปรากฎว่าโทรศัพท์ของคุณมีแนวโน้มที่จะไปสิ้นสุดตรงจุดที่คุณเห็นเกือบ 100%

อุโมงค์ควอนตัม

จากที่นี่ เรามาถึงแนวคิดของอุโมงค์ควอนตัมได้ นี่คือแนวคิดของการเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปของวัตถุหนึ่งชิ้น (หรือพูดคร่าวๆ) ไปยังสถานที่ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก

นั่นคือทุกอย่างสามารถเริ่มต้นด้วยนิวตรอนหนึ่งตัวซึ่งเมื่อถึงจุดหนึ่งก็ตกอยู่ในความน่าจะเป็นที่เกือบจะเป็นศูนย์เหมือนกันที่จะอยู่ในสถานที่ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงและยิ่งมีนิวตรอนอยู่ในสถานที่อื่นมากเท่าใดความน่าจะเป็นก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

แน่นอนว่าการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะใช้เวลาหลายปีเท่าที่โลกของเรายังไม่มีอยู่ แต่ตามทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัม อุโมงค์ควอนตัมเกิดขึ้น

อ่านเพิ่มเติม:

เมื่อผู้คนได้ยินคำว่า "ฟิสิกส์ควอนตัม" พวกเขามักจะมองข้าม: "มันซับซ้อนมาก" ในขณะเดียวกัน สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงเลย และไม่มีอะไรน่ากลัวเลยในคำว่า "ควอนตัม" มีเรื่องเข้าใจยากมากมาย มีเรื่องน่าสนใจมากมาย แต่ไม่มีอะไรน่ากลัว

เกี่ยวกับ ชั้นหนังสือ, บันได และ Ivan Ivanovich

กระบวนการ ปรากฏการณ์ และปริมาณทั้งหมดในโลกรอบตัวเราแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ ต่อเนื่อง (ตามหลักวิทยาศาสตร์) ความต่อเนื่อง ) และไม่ต่อเนื่อง (ไม่ต่อเนื่องทางวิทยาศาสตร์หรือ เชิงปริมาณ ).

ลองนึกภาพโต๊ะที่คุณสามารถวางหนังสือได้ คุณสามารถวางหนังสือได้ทุกที่บนโต๊ะ ขวา ซ้าย กลาง... ตรงไหนก็วางตรงนั้น ในกรณีนี้ นักฟิสิกส์กล่าวว่าตำแหน่งของหนังสือบนโต๊ะเปลี่ยนไป อย่างต่อเนื่อง .

ตอนนี้ลองนึกภาพชั้นหนังสือ คุณสามารถวางหนังสือไว้บนชั้นแรก ชั้นที่สอง ชั้นที่สาม หรือชั้นสี่ได้ แต่คุณไม่สามารถวางหนังสือ "ที่ไหนสักแห่งระหว่างชั้นที่สามและสี่" ได้ ในกรณีนี้ตำแหน่งของหนังสือจะเปลี่ยนไป เป็นระยะๆ , รอบคอบ , เชิงปริมาณ (คำเหล่านี้หมายถึงสิ่งเดียวกัน)

โลกรอบตัวเราเต็มไปด้วยปริมาณที่ต่อเนื่องและเป็นปริมาณ นี่คือผู้หญิงสองคน - Katya และ Masha ความสูงของพวกเขาคือ 135 และ 136 เซนติเมตร นี่ขนาดอะไรคะ? ความสูงเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องอาจเป็น 135 และครึ่งเซนติเมตรหรือ 135 และหนึ่งในสี่เซนติเมตร แต่จำนวนโรงเรียนที่เด็กผู้หญิงเรียนเป็นปริมาณเชิงปริมาณ! สมมติว่า Katya เรียนที่โรงเรียนหมายเลข 135 และ Masha เรียนที่โรงเรียนหมายเลข 136 อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครเรียนที่โรงเรียนหมายเลข 135 ครึ่งได้ใช่ไหม?

อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบเชิงปริมาณคือกระดานหมากรุก บนกระดานหมากรุกมีทั้งหมด 64 ช่อง และแต่ละช่องจะมีได้เพียงช่องเดียวเท่านั้น เราสามารถวางเบี้ยที่ไหนสักแห่งระหว่างเซลล์หรือวางเบี้ยสองตัวในเซลล์เดียวพร้อมกันได้หรือไม่? ในความเป็นจริงเราทำได้ แต่ตามกฎแล้วไม่

สืบเชื้อสายมาอย่างต่อเนื่อง

และนี่คือสไลเดอร์ในสนามเด็กเล่น เด็กๆ เลื่อนลงมา - เนื่องจากความสูงของสไลด์เปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นอย่างต่อเนื่อง ทีนี้ลองจินตนาการว่าสไลด์นี้จู่ๆ (wave ไม้กายสิทธิ์!) กลายเป็นบันได การกลิ้งตัวลงบนก้นของเธอจะไม่ได้ผลอีกต่อไป คุณจะต้องเดินด้วยเท้าของคุณ - ขั้นแรกหนึ่งก้าว จากนั้นครั้งที่สอง และครั้งที่สาม ขนาด (ความสูง) มีการเปลี่ยนแปลง อย่างต่อเนื่อง –แต่ก็เริ่มเปลี่ยนแปลงไปเป็นขั้นๆ คือ ค่อยเป็นค่อยไป เชิงปริมาณ .

การสืบเชื้อสายเชิงปริมาณ

มาตรวจสอบกัน!

1. เพื่อนบ้านที่เดชา Ivan Ivanovich ไปที่หมู่บ้านใกล้เคียงแล้วพูดว่า "ฉันจะพักที่ไหนสักแห่งระหว่างทาง"

2. เพื่อนบ้านที่เดชา Ivan Ivanovich ไปที่หมู่บ้านใกล้เคียงแล้วพูดว่า "ฉันจะไปโดยรถบัส"

สถานการณ์ใดในสองสถานการณ์นี้ ("ระบบ") ที่สามารถพิจารณาได้อย่างต่อเนื่อง และสถานการณ์ใดที่สามารถพิจารณาเป็นเชิงปริมาณได้

คำตอบ:

ในกรณีแรก Ivan Ivanovich เดินและสามารถหยุดพักผ่อนได้ทุกจุด วิธี, ระบบนี้– ต่อเนื่อง.

ในวินาทีที่สอง Ivan Ivanovich สามารถขึ้นรถบัสที่มาถึงป้ายได้ เขาอาจจะพลาดและรอรถเมล์คันต่อไป แต่เขาจะไม่สามารถนั่ง "ที่ไหนสักแห่งระหว่าง" รถบัสได้ ซึ่งหมายความว่าระบบนี้มีการวัดปริมาณแล้ว!

ตำหนิมันเกี่ยวกับดาราศาสตร์

ชาวกรีกโบราณตระหนักดีถึงการมีอยู่ของปริมาณที่ต่อเนื่อง (ต่อเนื่อง) และไม่ต่อเนื่อง (เชิงปริมาณ ไม่ต่อเนื่อง ไม่ต่อเนื่อง) ในหนังสือของเขา Psammit (แคลคูลัสของเม็ดทราย) อาร์คิมิดีสพยายามสร้างการเชื่อมโยงทางคณิตศาสตร์ระหว่างปริมาณต่อเนื่องและปริมาณเชิงปริมาณด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้นยังไม่มีฟิสิกส์ควอนตัม

มันไม่มีอยู่จริงจนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20! นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่เช่นกาลิเลโอ เดการ์ต นิวตัน ฟาราเดย์ ยัง หรือแม็กซ์เวลล์ ไม่เคยได้ยินเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมใดๆ และเข้ากันได้ดีหากไม่มีฟิสิกส์ควอนตัม คุณอาจถาม: ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงเกิดฟิสิกส์ควอนตัมขึ้นมา? เกิดอะไรขึ้นเป็นพิเศษในวิชาฟิสิกส์? ลองนึกภาพสิ่งที่เกิดขึ้น ไม่ใช่แค่ในฟิสิกส์เท่านั้น แต่ในดาราศาสตร์!

สหายลึกลับ

ในปี ค.ศ. 1844 ฟรีดริช เบสเซล นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันสังเกตการณ์มากที่สุด ดาวสว่างท้องฟ้ายามค่ำคืนของเรา - ซิเรียส เมื่อถึงเวลานั้น นักดาราศาสตร์รู้แล้วว่าดวงดาวบนท้องฟ้าของเราไม่อยู่กับที่ - พวกมันเคลื่อนที่เพียงช้ามากเท่านั้น ยิ่งกว่านั้นดาวทุกดวงก็มีความสำคัญ! - เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ดังนั้นเมื่อสังเกตซิเรียสปรากฎว่าเขาไม่ได้เคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงเลย ดูเหมือนว่าดาวดวงนี้จะ “ส่าย” ในตอนแรกในทิศทางหนึ่ง จากนั้นจึงไปอีกทิศทางหนึ่ง เส้นทางของซิเรียสบนท้องฟ้าเป็นเหมือนเส้นคดเคี้ยวซึ่งนักคณิตศาสตร์เรียกว่า "คลื่นไซน์"

ดาวซิริอุสและดาวเทียม - ซิเรียส บี

เห็นได้ชัดว่าดาวดวงนั้นไม่สามารถเคลื่อนไหวเช่นนั้นได้ ในการเปลี่ยนการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงให้เป็นการเคลื่อนที่ตามคลื่นไซน์ จำเป็นต้องมี "แรงรบกวน" บางอย่าง ดังนั้น Bessel แนะนำว่าดาวเทียมขนาดใหญ่โคจรรอบซิเรียส - นี่เป็นคำอธิบายที่เป็นธรรมชาติและสมเหตุสมผลที่สุด

อย่างไรก็ตาม การคำนวณแสดงให้เห็นว่ามวลของดาวเทียมดวงนี้ควรจะใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ของเราโดยประมาณ แล้วทำไมเราไม่เห็นดาวเทียมดวงนี้จากโลกล่ะ? ซิเรียสนั้นมาจาก ระบบสุริยะไม่ไกลนัก พาร์เซกประมาณสองครึ่ง และวัตถุขนาดเท่าดวงอาทิตย์น่าจะมองเห็นได้ชัดเจนมาก...

มันเป็นงานที่ยาก นักวิทยาศาสตร์บางคนกล่าวว่าดาวเทียมดวงนี้เป็นดาวฤกษ์ที่เย็นและเย็น ดังนั้นมันจึงเป็นสีดำสนิทและมองไม่เห็นจากโลกของเรา บางคนบอกว่าดาวเทียมดวงนี้ไม่ใช่สีดำ แต่โปร่งใส เราจึงไม่เห็นมัน นักดาราศาสตร์ทั่วโลกมองซิเรียสผ่านกล้องโทรทรรศน์และพยายาม "จับ" ดาวเทียมลึกลับที่มองไม่เห็น แต่ดูเหมือนว่าจะล้อเลียนพวกเขา มีเรื่องให้เซอร์ไพรส์นะรู้ไหม...

เราต้องการกล้องโทรทรรศน์มหัศจรรย์!

ผู้คนมองเห็นดาวเทียมของซิเรียสเป็นครั้งแรกผ่านกล้องโทรทรรศน์ดังกล่าว

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 อัลวิน คลาร์ก ผู้ออกแบบกล้องโทรทรรศน์ที่โดดเด่นอาศัยและทำงานในสหรัฐอเมริกา โดยอาชีพแรกเขาเป็นศิลปิน แต่โดยบังเอิญเขากลายเป็นวิศวกร ช่างแก้ว และนักดาราศาสตร์ชั้นหนึ่ง จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีใครสามารถเอาชนะกล้องโทรทรรศน์เลนส์ที่น่าทึ่งของเขาได้! เลนส์ตัวหนึ่งของ Alvin Clark (เส้นผ่านศูนย์กลาง 76 เซนติเมตร) สามารถพบได้ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ในพิพิธภัณฑ์ Pulkovo Observatory...

อย่างไรก็ตามเราพูดนอกเรื่อง ดังนั้นในปี พ.ศ. 2410 อัลวินคลาร์กจึงสร้างกล้องโทรทรรศน์ตัวใหม่โดยมีเลนส์เส้นผ่านศูนย์กลาง 47 เซนติเมตร มันเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกาในเวลานั้น ซิเรียสลึกลับได้รับเลือกให้เป็นวัตถุท้องฟ้าดวงแรกที่ถูกสังเกตในระหว่างการทดสอบ และความหวังของนักดาราศาสตร์ก็ได้รับการพิสูจน์อย่างชาญฉลาด - ในคืนแรกดาวเทียมซิเรียสที่เข้าใจยากซึ่ง Bessel ทำนายไว้ก็ถูกค้นพบ

ออกจากกระทะเข้ากองไฟ...

อย่างไรก็ตาม เมื่อได้รับข้อมูลจากการสำรวจของคลาร์ก นักดาราศาสตร์ก็ไม่ได้ชื่นชมยินดีเป็นเวลานาน จากการคำนวณแล้ว มวลของดาวเทียมควรจะใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ของเราโดยประมาณ (333,000 เท่าของมวลโลก) แต่แทนที่จะเป็นเทห์ฟากฟ้าสีดำขนาดใหญ่ (หรือโปร่งใส) นักดาราศาสตร์กลับเห็น... ดาวดวงเล็กๆ สีขาว! ดาวดวงนี้ร้อนมาก (25,000 องศา เทียบกับ 5,500 องศาดวงอาทิตย์ของเรา) และในขณะเดียวกันก็เล็กมาก (ตามมาตรฐานจักรวาล) ไม่ใช่ขนาด มากกว่าโลก(ต่อมาดาวดังกล่าวถูกเรียกว่า “ดาวแคระขาว”) ปรากฎว่าดาวดวงนี้มีความหนาแน่นที่ไม่อาจจินตนาการได้โดยสิ้นเชิง แล้วประกอบด้วยสารอะไรบ้าง?!

บนโลกเรารู้จักวัสดุที่มีความหนาแน่นสูง เช่น ตะกั่ว (ลูกบาศก์ด้านเซนติเมตรทำจากโลหะนี้หนัก 11.3 กรัม) หรือทองคำ (19.3 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) ความหนาแน่นของสสารของดาวเทียมซิเรียส (เรียกว่า “ซิเรียส บี”) คือ ล้าน (!!!) กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร - หนักกว่าทองคำถึง 52,000 เท่า!

ยกตัวอย่างตามปกติ กล่องไม้ขีด- ปริมาตรของมันคือ 28 ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งหมายความว่ากล่องไม้ขีดที่เต็มไปด้วยสารจากดาวเทียมซิเรียสจะมีน้ำหนัก... 28 ตัน! ลองจินตนาการดูว่า ด้านหนึ่งของเครื่องชั่งมีกล่องไม้ขีด และมีรถถังอยู่อีกด้านหนึ่ง!

มีอีกปัญหาหนึ่ง มีกฎในฟิสิกส์เรียกว่ากฎของชาร์ลส์ เขากล่าวว่าปริมาตรเดียวกันความดันของสารจะสูงขึ้น อุณหภูมิของสารก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย จำไว้ว่าแรงดันของไอน้ำร้อนทำให้ฝาหม้อเดือดฉีกขาดได้อย่างไร และคุณจะเข้าใจได้ทันทีว่าเรากำลังพูดถึงอะไร ดังนั้นอุณหภูมิของสารในดาวเทียมซิเรียสจึงฝ่าฝืนกฎของชาร์ลส์นี้อย่างไร้ยางอายที่สุด! ความดันเกินจินตนาการและอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ ผลลัพธ์คือกฎฟิสิกส์ที่ "ผิด" และฟิสิกส์ที่ "ผิด" โดยทั่วไป เช่นเดียวกับวินนี่เดอะพูห์ - "ผึ้งผิดและน้ำผึ้งผิด"

หัวของฉันหมุนไปหมดแล้ว...

เพื่อที่จะ "รักษา" ฟิสิกส์ ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ต้องยอมรับว่ามีฟิสิกส์สองแห่งในโลกพร้อมกัน - ฟิสิกส์หนึ่ง "คลาสสิค" ซึ่งรู้จักกันมานานสองพันปี และอันที่สองก็ไม่ธรรมดา ควอนตัม - นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำว่ากฎของฟิสิกส์คลาสสิกดำเนินการในระดับ "มหภาค" ปกติของโลกของเรา แต่ในระดับ "จุลทรรศน์" ที่เล็กที่สุด สสารและพลังงานจะเป็นไปตามกฎที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง นั่นก็คือกฎควอนตัม

ลองนึกภาพดาวเคราะห์โลกของเรา ปัจจุบันมีวัตถุประดิษฐ์ที่แตกต่างกันมากกว่า 15,000 ชิ้นหมุนรอบมัน โดยแต่ละชิ้นอยู่ในวงโคจรของมันเอง นอกจากนี้ วงโคจรนี้สามารถเปลี่ยนแปลง (แก้ไข) ได้หากต้องการ - เช่น วงโคจรของสากล สถานีอวกาศ(ไอเอสเอส) นี่คือระดับมหภาค กฎของฟิสิกส์คลาสสิก (เช่น กฎของนิวตัน) ใช้ได้ที่นี่

ตอนนี้เรามาดูระดับจุลทรรศน์กันดีกว่า ลองนึกภาพนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนหมุนรอบมันเหมือนกับดาวเทียม แต่จะมีอิเล็กตรอนได้มากตามที่ต้องการไม่ได้ (เช่น อะตอมฮีเลียมจะมีอะตอมไม่เกินสองอะตอม) และวงโคจรของอิเล็กตรอนจะไม่เป็นไปตามอำเภอใจอีกต่อไป แต่จะมีการวัดปริมาณ "ก้าว" นักฟิสิกส์ยังเรียกวงโคจรดังกล่าวว่า "ระดับพลังงานที่อนุญาต" อิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ "ได้อย่างราบรื่น" จากระดับหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งได้ แต่สามารถ "กระโดด" จากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่งได้ทันทีเท่านั้น ฉันแค่ "อยู่ที่นั่น" และพบว่าตัวเอง "อยู่ที่นี่" ทันที เขาไม่สามารถอยู่ที่ไหนสักแห่งระหว่าง "ที่นั่น" และ "ที่นี่" เขาเปลี่ยนสถานที่ทันที

มหัศจรรย์? มหัศจรรย์! แต่นั่นไม่ใช่ทั้งหมด ความจริงก็คือตามกฎของฟิสิกส์ควอนตัม อิเล็กตรอนสองตัวที่เหมือนกันไม่สามารถครอบครองระดับพลังงานเดียวกันได้ ไม่เคย. นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "การกีดกันของเปาโล" (พวกเขายังไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไม "ข้อห้าม" นี้จึงมีผลใช้บังคับ) ที่สำคัญที่สุด "ข้อห้าม" นี้มีลักษณะคล้ายกับกระดานหมากรุกซึ่งเราอ้างถึงเป็นตัวอย่างของระบบควอนตัม - หากมีเบี้ยอยู่บนเซลล์ของกระดาน จะไม่สามารถวางเบี้ยตัวอื่นลงในเซลล์นี้ได้ สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอน!

การแก้ปัญหา

คุณถามว่าฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายปรากฏการณ์ที่ผิดปกติเช่นการละเมิดกฎของชาร์ลส์ภายในซิเรียสบีได้อย่างไร นี่คือวิธีการ

ลองนึกภาพสวนสาธารณะในเมืองที่มีฟลอร์เต้นรำ มีคนเดินบนถนนมากมายมาที่ฟลอร์เต้นรำเพื่อเต้นรำ ให้จำนวนคนบนถนนเป็นตัวแทนของความกดดัน และจำนวนคนในดิสโก้คืออุณหภูมิ ผู้คนจำนวนมากสามารถเข้าสู่ฟลอร์เต้นรำได้ ผู้คนมากขึ้นเดินในสวนสาธารณะ ยิ่งมีคนเต้นบนฟลอร์เต้นรำมากเท่าไร ยิ่งความดันสูง อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น นี่คือการทำงานของกฎของฟิสิกส์คลาสสิก – รวมถึงกฎของชาร์ลส์ด้วย นักวิทยาศาสตร์เรียกสารนี้ว่า “ก๊าซในอุดมคติ”

ผู้คนบนฟลอร์เต้นรำคือ “แก๊สในอุดมคติ”

อย่างไรก็ตาม ในระดับจุลทรรศน์ กฎของฟิสิกส์คลาสสิกใช้ไม่ได้ กฎควอนตัมเริ่มดำเนินการที่นั่น และทำให้สถานการณ์เปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง

ลองจินตนาการว่ามีการเปิดร้านกาแฟแทนฟลอร์เต้นรำในสวนสาธารณะ อะไรคือความแตกต่าง? ใช่ ความจริงก็คือว่า "คนมากเท่าที่คุณต้องการ" จะไม่เหมือนกับดิสโก้ที่จะเข้าไปในร้านกาแฟ ทันทีที่ที่นั่งเต็มโต๊ะ ระบบรักษาความปลอดภัยจะหยุดไม่ให้คนเข้าไปข้างใน และจนกว่าแขกคนใดคนหนึ่งจะลุกออกจากโต๊ะ เจ้าหน้าที่รักษาความปลอดภัยจะไม่ยอมให้ใครเข้ามา! ผู้คนเดินอยู่ในสวนสาธารณะมากขึ้นเรื่อยๆ แต่จำนวนคนในร้านกาแฟยังคงเท่าเดิม ปรากฎว่าความดันเพิ่มขึ้น แต่อุณหภูมิ "หยุดนิ่ง"

ผู้คนในร้านกาแฟ - “ควอนตัมแก๊ส”

แน่นอนว่าภายใน Sirius B ไม่มีผู้คน ฟลอร์เต้นรำ หรือร้านกาแฟ แต่หลักการยังคงเหมือนเดิม: อิเล็กตรอนเติมเต็มระดับพลังงานที่อนุญาตทั้งหมด (เช่น ผู้เยี่ยมชมเติมโต๊ะในร้านกาแฟ) และพวกมันไม่สามารถ "อนุญาตให้ใครเข้าไป" ได้อีกต่อไป - เป็นไปตามข้อยกเว้นของ Pauli ทุกประการ เป็นผลให้เกิดความกดดันมหาศาลภายในดาวฤกษ์ แต่อุณหภูมิสูง แต่ค่อนข้างธรรมดาสำหรับดาวฤกษ์ ในวิชาฟิสิกส์ สารดังกล่าวเรียกว่า "ก๊าซควอนตัมเสื่อม"

เราจะไปต่อไหม..

ผิดปกติ ความหนาแน่นสูงดาวแคระขาวยังห่างไกลจากปรากฏการณ์เดียวในฟิสิกส์ที่ต้องใช้ กฎควอนตัม- หากคุณสนใจหัวข้อนี้ใน Luchik ฉบับหน้าเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับปรากฏการณ์ควอนตัมอื่น ๆ ที่น่าสนใจไม่น้อย เขียน! ในตอนนี้ เรามาจำสิ่งสำคัญกันก่อน:

1. ในโลกของเรา (จักรวาล) กฎของฟิสิกส์คลาสสิกทำงานในระดับมหภาค (เช่น "ใหญ่") อธิบายคุณสมบัติของของเหลวและก๊าซธรรมดา การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ และอื่นๆ อีกมากมาย นี่คือฟิสิกส์ที่คุณเรียน (หรือจะเรียน) ในโรงเรียน

2. อย่างไรก็ตาม ที่ระดับจุลทรรศน์ (นั่นคือ เล็กอย่างไม่น่าเชื่อ เล็กกว่าแบคทีเรียที่เล็กที่สุดหลายล้านเท่า) กฎที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงจะทำงาน - กฎของฟิสิกส์ควอนตัม กฎเหล่านี้อธิบายไว้ด้วยสูตรทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนมากและไม่ได้มีการศึกษาในโรงเรียน อย่างไรก็ตาม มีเพียงฟิสิกส์ควอนตัมเท่านั้นที่ทำให้สามารถอธิบายโครงสร้างของวัตถุที่น่าทึ่งในจักรวาลได้ค่อนข้างชัดเจน เช่น ดาวแคระขาว (เช่น Sirius B) ดาวนิวตรอน หลุมดำ และอื่นๆ