10 kvanttitotuutta maailmankaikkeudestamme

Siitä hetkestä lähtien, kun huomattiin, että makroskooppiset, klassiset säännöt, jotka sanelivat sähköä, magneettisuutta ja valoa, eivät välttämättä koske subatomisia asteikkoja, täysin uusi näkymä maailmankaikkeudesta tuli ihmiskunnalle. Tämä kvanttikuva on paljon suurempi ja kaiken kattava kuin useimmat ihmiset ymmärtävät, mukaan lukien monet asiantuntijat. Tässä on kymmenen kvanttimekaniikan perusteita, jotka saattavat saada sinut tutkimaan uudelleen, miten kuvaat maailmankaikkeutamme pienimmissä mittakaavoissa ja sen ulkopuolella. Katso nämä hienot kvanttitotuudet maailmankaikkeudestamme:

10 Schrödingerin kissa on joko kuollut tai elossa, ei molemmat

Aloittaaksemme tämän luettelon maailmankaikkeutamme koskevista kvanttitotuuksista, aloitetaan ilmoittamalla sinulle, että kvanttimekaniikan alkuaikoina sitä ei ymmärretty hyvin, mutta makroskooppisten esineiden kvanttitoiminto hajoaa hyvin nopeasti. Tämä ”dekoherenssi” johtuu toistuvasta vuorovaikutuksesta ympäristön kanssa, jota on mahdotonta välttää kohtalaisen lämpimissä ja kompakteissa paikoissa, kuten elämässä tarvittavissa. Tämä osoittaa, että se, mitä pidämme mittauksena, ei vaadi ihmistä; vain vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa on merkitystä. Se osoittaa myös, miksi suurten esineiden tuominen kahden erillisen tilan päällekkäisyyteen on siis hyvin vaikeaa ja päällekkäisyys haalistuu nopeasti.

Painava esine, joka on toistaiseksi tuotu paikkojen päällekkäisyydelle, on hiili-60-molekyyli, kun taas kaikkein vaatimattomimmat ovat ehdottaneet tämän testin suorittamista viruksille tai jopa raskaammille olennoille, kuten bakteereille. Siten Schrödingerin kissan kerran nostama paradoksi – kvanttisupposition (hajoavan atomin) siirtyminen suurelle esineelle (kissa) – on ratkaistu. Ymmärrämme nyt, että vaikka pieniä asioita, kuten atomeja, voi esiintyä päällekkäin pitkiä aikoja, suuri esine asettuisi hyvin nopeasti yhteen tiettyyn tilaan. Siksi emme koskaan tarkkaile kissoja, jotka ovat sekä kuolleita että eläviä.

9 Mutta he hallitsevat pieniä asteikkoja

Kvanttimekaniikassa kukin hiukkanen on myös aalto ja jokainen aalto on myös hiukkanen. Kvanttimekaniikan johtopäätökset tulevat hyvin ilmeisiksi, kun havaitaan hiukkanen etäisyyksillä, jotka ovat samanlaisia ​​kuin niihin liittyvä aallonpituus. Siksi atomi- ja subatomisfysiikkaa ei voida selittää ilman kvanttimekaniikkaa, kun taas planeetan kiertoradat ovat ehdottomasti muuttumattomia kvanttitoiminnalla.

8 Kvanttivaikutukset eivät ole välttämättä pieniä

Kvanttivaikutuksia emme yleensä näe pitkillä etäisyyksillä, koska tarvittavat korrelaatiot ovat hyvin hauraita. Käsittele heitä kuitenkin riittävän huolellisesti, ja kvanttiefektit voivat jatkua pitkiä matkoja. Esimerkiksi fotonit ovat sotkeutuneet jopa satoihin kilometreihin. Bose-Einstein-lauhteissa aineen rappeutunut tila saavutettiin kylmissä lämpötiloissa, jopa miljoona atomia on indusoitu yhdeksi koherentiksi kvanttitilaksi. Ja viimeiseksi, jotkut tutkijat jopa hyväksyvät sen, että pimeällä aineella voi olla kvanttivaikutuksia, jotka ulottuvat koko galaksiin.

7 Kyse on epävarmuudesta

Kvanttimekaniikan peruspostulaatti on, että on olemassa näkyviä pareja, joita ei voida mitata samanaikaisesti, kuten esimerkiksi hiukkasen sijainti ja liikemäärä. Kvanttitotuut universumistamme ovat, että parit nimetään ”konjugaattimuuttujiksi”, ja mahdottomuus mitata molempia arvojaan tarkalleen tekee kaiken eron kvantisoidun ja kvantisoimattoman teorian välillä. Kvanttimekaniikassa tämä teoria on perustavanlaatuinen, ei johdu kokeellisista puutteista. Yksi tämän kummallisimmista ilmenemismuodoista on energian ja ajan epävarmuus, mikä viittaa siihen, että epävakailla hiukkasilla on luonnostaan ​​epävarmoja massoja Einsteinin E = mc2: n ansiosta.

6 Einstein ei kiistänyt sitä

Yleisen mielipiteen vastakohtana Einstein ei ollut kvanttimekaniikan kieltäjä. Hän ei todennäköisesti voinut olla – teoria oli ensin niin onnistunut, ettei yksikään vakava asiantuntija voinut hylätä sitä. Itse asiassa se oli hänen Nobelin voittama löytö valosähköisestä vaikutuksesta, mikä osoitti, että fotonit käyttäytyivät hiukkasina sekä aaltoina, jotka olivat yksi kvanttimekaniikan ydinpaljastuksista. Einstein kiisti sen sijaan, että teoria oli epätäydellinen, ja uskoi, että kvanttiprosessien luonnollisella satunnaisuudella on oltava perusteellinen selitys. Ei se, että hän uskoi satunnaisuuden olevan väärä, hän vain uskoi, että tämä ei ollut tarinan loppu. Erinomaisen esityksen Einsteinin näkemyksistä kvanttimekaniikasta neuvon George Musserin artikkelilla ”Mitä Einstein todella ajatteli kvanttimekaniikasta”.

5 Kvanttifysiikka Voimakas tutkimusala

Teoria alkoi yli sata vuotta sitten. Mutta monista sen näkökulmista tuli testattavia vain nykyaikaisella tekniikalla. Kvanttioptiikka, kvanttilaskenta, kvanttitermodynamiikka, kvanttiteknografia, kvanttitiedot ja kvanttimetrologia ovat kaikki äskettäin muodostuneita ja välittömästi erittäin intensiivisiä tutkimusalueita. Näillä tekniikoilla ansaittujen uusien kykyjen myötä investoinnit kvanttimekaniikan perusteisiin on uudistettu.

4 Ei ole outoa toimintaa etäisyydellä

Missään kvanttimekaniikassa tietoja ei koskaan lähetetä ei-paikallisesti, joten ne hyppäävät avaruuden yli tarvitsematta käydä läpi kaikkia välissä olevia paikkoja. Tarttuminen ei itsessään ole paikallista, mutta se ei tee mitään toimia – se on yhdistys, joka ei ole yhteydessä ei-paikalliseen tiedonmuutokseen tai muuhun näkyvään. Kun ymmärrät tutkimuksen, jossa kaksi takertunutta fotonia erotetaan toisistaan ​​suurella etäisyydellä ja sitten kummankin spin mitataan, dataa ei siirretä nopeammin kuin valon nopeus. Itse asiassa, jos yrität koota kahden havainnon tulokset yhteen, data voi kulkea vain valon nopeudella, ei nopeammin! ”Informaation” muodot aiheuttivat suuren epävarmuuden lähteen kvanttimekaniikan alkuaikoina, mutta tiedämme tänään, että teoria voidaan sovittaa täydellisesti yhteenEinsteinin erityissuhteellisuusteoria, jossa tietoja ei voida siirtää nopeammin kuin valon nopeus. Se on yksi maailmankaikkeutemme merkittävimmistä kvanttitotuuksista.

3 Takertuminen ei ole sama kuin päällekkäisyys

Kvanttisupposio on järjestelmän kyky olla kahdessa erillisessä tilassa samanaikaisesti, mutta mitattuna kuitenkin löydetään jatkuvasti tietty tila eikä koskaan superpositiota. Sidos on toisaalta kahden tai useamman järjestelmän osan välinen assosiaatio – jotain täysin erilaista. Päällekkäisyys ei ole perusasetusta: onko tila päällekkäisyys vai ei, riippuu siitä, mitä sinun on mitattava. Valtio voi olla esimerkiksi asemien päällekkäisyydessä eikä hetken päällekkäisyydessä – joten koko käsite on epämääräinen. Sotoutuminen on toisaalta yksiselitteistä: se on jokaisen järjestelmän perusominaisuus ja tunnetuin järjestelmän kvanttisuuden mittari.

2 Kvantisointi ei tarkoita tarkkuutta

”Quanta” ovat määritelmän mukaan erillisiä hiukkasia, mutta kaikki eivät muutu paksuiksi tai erottamattomiksi lyhyissä mittakaavoissa. Kvanttitotuut universumistamme ovat, että sähkömagneettiset aallot koostuvat kvanteista, joita kutsutaan ”fotoneiksi”, joten aaltojen voidaan katsoa olevan diskretisoituja. Ja atomin ytimen ympärillä olevilla elektronikuorilla voi olla vain selkeät erilliset säteet. Mutta muista hiukkasten ominaisuuksista ei tule erillisiä edes kvanttiteoriassa. Esimerkiksi metallin johtavassa kaistassa olevien elektronien tila ei ole erillinen – elektroni voi täyttää minkä tahansa jatkuvan aseman kaistan sisällä.

1 Kaikki on kvantti

Nyt tiedämme, että jotkut asiat ovat kvanttimekaanisia ja toiset eivät. Kaikki noudattaa samoja kvanttimekaniikan lakeja – vain suurten esineiden kvanttivaikutuksia on erittäin vaikea nähdä. Siksi kvanttimekaniikka oli myöhässä teoreettisen fysiikan kehityksessä: vasta kun fyysikot joutuivat perustelemaan, miksi elektronit istuvat kuorissa atomituuman ympärillä, kvanttimekaniikasta tuli välttämätöntä tarkkojen ennusteiden tekemiseksi.

10 kvanttitotuutta maailmankaikkeudestamme

1. Kaikki on kvantti
2. Kvantisointi ei tarkoita tarkkuutta
3. Takertuminen ei ole sama kuin päällekkäisyys
4. Etäisyydessä ei ole outoa toimintaa
5. Kvanttifysiikka Voimakas tutkimusala
6. Einstein ei kiistänyt sitä
7. Kyse on epävarmuudesta
8. Kvanttivaikutukset eivät ole välttämättä pieniä
9. Mutta he hallitsevat pieniä asteikkoja
10. Schrödingerin kissa on joko kuollut tai elossa, ei molemmat

Kirjoittanut: AC Claudia