10 kvanttõde meie universumi kohta

Sellest hetkest, kui avastati, et makroskoopilised, klassikalised reeglid, mis dikteerisid elektrit, magnetismi ja valgust, ei pruugi tingimata kehtida subatoomilistes skaalades, sai inimkonnale avatuks täiesti uus vaade Universumile. See kvantpilt on palju suurem ja kõikehõlmavam, kui enamik inimesi, sealhulgas paljud spetsialistid, aru saavad. Siin on kümme kvantmehaanika põhitõde, mis võivad panna teid uuesti uurima, kuidas kujutate meie Universumit kõige väiksemates mõõtkavades ja kaugemalgi. Vaadake neid lahedaid kvanttõdesid meie Universumi kohta:

10 Schrödingeri kass on kas surnud või elus, mitte mõlemad

Selle universumi kohta käivate kvanttõdede loetelu alustamiseks alustame sellest, et teavitame teid sellest, et kvantmehaanika algusaegadel ei olnud see hästi mõistetav, kuid makroskoopiliste objektide kvantfunktsioon laguneb väga kiiresti. Nimetatud dekoherents on tingitud korduvast suhtlemisest keskkonnaga, mida on mõõdukalt soojades ja kompaktsetes kohtades, nagu näiteks eluks vajalik, vältida. See näitab, et see, mida me mõõtmiseks peame, ei vaja inimest; loeb lihtsalt keskkonnaga suhtlemine. Samuti demonstreerib see, miks on suurte objektide viimine kahe erineva seisundi superpositsiooni on seetõttu väga keeruline ja superpositsioon tuhmub kiiresti.

Seni asukohtade superpositsiooni viidud raske objekt on süsinik-60 molekul, samas kui kõige pretensioonikamad on teinud ettepaneku teha see test viiruste või isegi raskemate olendite, näiteks bakterite suhtes. Seega on Schrödingeri kassi kunagi esile tõstetud paradoks – kvantülekande (laguneva aatomi) ülekandmine suurele objektile (kass) – lahendatud. Nüüd mõistame, et kuigi väikesed asjad, nagu aatomid, võivad pikka aega superpositsioonis eksisteerida, asetub suur objekt ühes konkreetses olekus väga kiiresti. Sellepärast ei jälgi me kunagi kasse, kes on nii surnud kui elus.

9 Kuid nad kontrollivad väikseid kaalusid

Kvantmehaanikas on iga osake ka laine ja iga laine on samuti osake. Kvantmehaanika järeldused muutuvad väga ilmseks, kui täheldatakse osakest seotud lainepikkusega sarnastel kaugustel. Sellepärast ei saa aatomi- ja subatoomifüüsikat seletada ilma kvantmehaanikata, samas kui planeetide orbiidid kvanttoimega kindlasti muutuvad.

8 Kvantmõjud pole tingimata väikesed

Kvantefekte me tavaliselt pikkadel vahemaadel ei näe, sest vajalikud seosed on väga habras. Kohtle neid siiski piisavalt ettevaatlikult ja kvantefektid võivad kesta pikki vahemaid. Näiteks on footonid takerdunud jaotustesse nii palju kui sadu kilomeetreid. Bose-Einsteini kondensaatides tekkis külma temperatuuri korral degenereerunud aineolek, kuni koherentsesse kvantolekusse on indutseeritud kuni miljon miljonit aatomit. Ja lõpuks, mõned teadlased isegi nõustuvad, et tumeainel võib olla kvantmõju, mis ulatub üle kogu galaktika.

7 Kõik on seotud ebakindlusega

Kvantmehaanika põhipostulaat on see, et on olemas nähtavaid paare, mida ei saa samaaegselt mõõta, näiteks osakese asend ja impulss. Kvanttõed meie Universumi kohta on see, et paare nimetatakse “konjugaatmuutujaks” ja nende mõlema väärtuse täpse mõõtmise võimatus teeb kvantiseeritud ja kvantiseerimata teooria kõik vaheteks. Kvantmehaanikas on see teooria fundamentaalne, mitte eksperimentaalsete puuduste tõttu. Selle üks kummalisemaid ilminguid on energia ja aja määramatus, mis viitab sellele, et ebastabiilsete osakeste mass on tänu Einsteini E = mc2 loomulikult ebakindel.

6 Einstein ei lükanud seda ümber

Vastupidiselt levinud arvamusele ei olnud Einstein kvantmehaanika eitaja. Tõenäoliselt ta seda ei saanud – teooria oli kõigepealt nii edukas, et ükski tõsine spetsialist ei suutnud seda tagasi lükata. Tegelikult oli see tema Nobeli võidetud fotoelektrilise mõju avastus, mis tõestas, et footonid käitusid nii osakeste kui ka lainetena, mis olid kvantmehaanika üks põhilisi ilmutusi. Einstein vaidlustas selle asemel, et teooria oli puudulik, ja leidis, et kvantprotsesside loomulikul juhuslikkusel peab olema sügav seletus. Asi ei olnud selles, et ta uskus, et juhuslikkus oli vale, vaid lihtsalt, et see pole loo lõpp. Einsteini kvantmehaanikat käsitlevate vaadete suurepärase tutvustuse jaoks soovitan George Musseri artiklit “Mida Einstein tegelikult arvas kvantmehaanikast”.

5 Kvantfüüsika Intensiivne uurimisvaldkond

Teooria sai alguse enam kui sajand tagasi. Kuid paljud selle seisukohad said testitavaks ainult kaasaegse tehnoloogia abil. Kvantoptika, kvantarvutus, kvanttermodünaamika, kvantkrüptograafia, kvantinformatsioon ja kvantmetroloogia on kõik viimasel ajal moodustatud ja kohe väga intensiivsed uurimisvaldkonnad. Nende tehnoloogiate abil teenitud uute võimetega on taas investeeritud kvantmehaanika alustesse.

4 Eemal pole imelikku tegevust

Kuskil kvantmehaanikas ei saadeta andmeid kunagi mitte kohapeal, nii et need hüppavad üle ruumi, ilma et peaksite läbima kõiki vahepealseid positsioone. Põimumine on iseenesest mitte-lokaalne, kuid see ei tee mingeid toiminguid – see on ühendus, mis pole seotud teabe mittekohaliku muutmisega ega muu nähtavaga. Kui mõistate uuringut, kus kahte takerdunud footonit eraldab suur vahemaa ja seejärel mõõdetakse kummagi spinni, ei edastata andmeid kiiremini kui valguse kiirus. Tegelikult, kui proovite kahe vaatluse tulemused kokku viia, saavad need andmed liikuda ainult valguskiirusel, mitte kiiremini! See, mis moodustab „informatsiooni”, oli kvantmehaanika algusaegadel suur ebakindluse allikas, kuid me teame tänapäeval, et teooria saab viia täiuslikultEinsteini erirelatiivsusteooria, kus andmeid ei saa valguse kiirusest kiiremini nihutada. See on üks kõige olulisemaid kvanttõdesid meie Universumi kohta.

3 Mässimine pole identne superpositsiooniga

Kvantne superpositsioon on süsteemi võime olla korraga kahes erinevas olekus ja ometi leiab mõõdetuna pidevalt konkreetse seisundi ja mitte kunagi superpositsiooni. Seotus on seos süsteemi kahe või enama osa vahel – midagi täiesti erinevat. Ülespanek pole põhiline: see, kas riik on superpositsioon või mitte, sõltub sellest, mida peate mõõtma. Riik võib olla näiteks positsioonide ja mitte hetke superpositsioonis – seega on kogu kontseptsioon ebamäärane. Seotus seevastu on üheselt mõistetav: see on iga süsteemi põhiomadus ja süsteemi kvantiteedi tuntuim mõõde.

2 Kvantimine ei tähenda kindlasti diskreetsust

Kvantid on definitsiooni järgi diskreetsed osakesed, kuid mitte kõik ei muutu lühikestes mõõtmetes rammusaks ega lahutamatuks. Kvanttõed meie Universumi kohta on sellised, et elektromagnetlained koosnevad kvantidest, mida nimetatakse “footoniteks”, nii et laineid võib pidada diskreetseteks. Ja aatomituuma ümbritsevatel elektronkestadel võivad olla lihtsalt selged diskreetsed raadiused. Kuid muud osakeste omadused ei muutu diskreetseks isegi kvantteoorias. Näiteks metalli juhtivas ribas olevate elektronide olek ei ole diskreetne – elektron võib täita mis tahes pidevat positsiooni ribas.

1 Kõik on kvant

Nüüd teame, et mõned asjad on kvantmehaanilised ja teised mitte. Kõik toimub samade kvantmehaanika seaduste järgi – lihtsalt suurte objektide kvantmõjusid on väga raske näha. Seetõttu oli kvantmehaanika teoreetilise füüsika arengu hilineja: alles siis, kui füüsikud pidid põhjendama, miks elektronid aatomituuma ümbruses istuvad, sai kvantmehaanika täpsete ennustuste tegemiseks hädavajalikuks.

10 kvanttõde meie universumi kohta

1. Kõik on kvant
2. Kvantiseerimine ei tähenda kindlasti diskreetsust
3. Mässimine pole identne superpositsiooniga
4. Eemal pole imelikku tegevust
5. Kvantfüüsika Intensiivne uurimisvaldkond
6. Einstein ei lükanud seda ümber
7. Kõik on seotud ebakindlusega
8. Kvantmõjud pole tingimata väikesed
9. Kuid nad kontrollivad väikseid kaalusid
10. Schrödingeri kass on kas surnud või elus, mitte mõlemad

Kirjutas: AC Claudia