Einšteino kvantinis vaiduoklis čia pasilikti


Tai aštuntas straipsnių ciklas, kuriame nagrinėjama kvantinės fizikos atsiradimas.

Mokslininkai turi pasaulėžiūrą. Tai nenuostabu, nes jie yra žmonės ir žmonės turi pasaulėžiūrą. Jūs mąstote apie politiką, religiją, mokslą ir ateitį, o šis mąstymo būdas informuoja, kaip judate pasaulyje ir kokius pasirinkimus darote.

Dažnai sakoma, kad tikras kažkieno spalvas atpažįsta matydamas, kaip jis reaguoja į grėsmę. Ši grėsmė gali būti įvairių rūšių: nuo įsilaužimo į jūsų namus iki intelektualinės grėsmės jūsų įsitikinimų sistemai. Pastarosiomis savaitėmis, mes ištyrėme, kaip kvantinė fizika pakeitė pasaulį, žiūrėdami į ankstyvą jos istoriją ir keistą naują netikėtų dėsnių ir taisyklių pasaulį, kuris diktuoja, kas vyksta molekulių ir mažesnių medžiagų komponentų lygmenyje. Šiandien žiūrime, kaip šis naujas mokslas paveikė kai kurių jo kūrėjų, ypač Alberto Einšteino ir Erwino Schrödingerio, pasaulėžiūrą. Šiems fizikams gresia ne kas kita, kaip tikroji tikrovės prigimtis.

Prasmės praradimas

1950 m. gruodžio mėn. laiške Schrödingeriui Einšteinas rašė:

„Jei norime kvantinę teoriją laikyti galutine (iš principo), tuomet reikia tikėti, kad išsamesnis aprašymas būtų nenaudingas, nes jai nebūtų dėsnių. Jei taip būtų, fizika galėtų pretenduoti tik į parduotuvių savininkų ir inžinierių interesus; visa tai būtų apgailėtinas keblys.

Iki savo gyvenimo pabaigos Einšteinas negalėjo susitaikyti su nauja pasaulėžiūra, kilusia iš kvantinės fizikos – to įsitikinimų rinkinio, kuris iš esmės mums pasakė, kad realybė mums, žmonėms, buvo žinoma tik iš dalies ir kad pati gamtos esmė buvo paslėpta nuo mūsų mąstymo galių. Werneris Heisenbergo Neapibrėžtumo principas užantspaudavo deterministinės fizikos likimą. Priešingai nei krintantis akmuo ar planeta, besisukanti aplink žvaigždę, kvantiniame pasaulyje galime žinoti tik istorijos pradžią ir pabaigą. Viskas tarp jų yra nepažinta.

Fizikas Richardas Feynmanas sukūrė gražų būdą išreikšti šį keistą faktą integruotas požiūris į kvantinę fiziką. Feynmano formuluotėje, norėdami apskaičiuoti tikimybę, kad dalelė prasidės čia ir baigsis, turite susumuoti visus galimus kelius, kuriais ji gali eiti iki to tikslo. Kiekvienas kelias yra įmanomas, ir kiekvienas turi tikimybę, kad bus vienas. Tačiau priešingai nei krintanti uola ar planeta, kuri skrieja aplink žvaigždę, mes negalime žinoti, kuriuo keliu pasuka dalelė. Pati kelio tarp dviejų taškų sąvoka praranda prasmę.

Einšteinas to neturėtų. Jam gamta turėjo būti racionali, tai reiškia, kad ji turėjo būti pritaikyta apibūdinti, kuris turi prasmę. Turėdamas prasmę, jis turėjo omenyje, kad objektas elgiasi pagal paprastą priežastinį elgesį, kurį padiktavo deterministinė evoliucija. Jis tikėjo, kad kvantinėje fizikoje trūksta kažko esminio, o atradus, kad kažkas sugrąžins fiziką sveiko proto.

Taigi 1935 m. su kolegomis Borisu Podolskiu ir Nathanu Rosenu (bendrai jie tapo žinomi kaip EPR) Einšteinas paskelbė popierius bando atskleisti kvantinės mechanikos absurdus. Pavadinimas pasako viską: „Ar kvantinis-mechaninis fizinės realybės aprašymas gali būti laikomas užbaigtu?

EPR pripažino, kad kvantinė fizika veikė, nes ji gali labai tiksliai paaiškinti eksperimentų rezultatus. Jų problema buvo susijusi su užbaigtumas kvantinio pasaulio aprašymo.

Jie pasiūlė operacinį kriterijų mūsų suvokiamos fizinės tikrovės elementams nustatyti: jį būtų galima apibūdinti tik tais fiziniais dydžiais, kuriuos galima tiksliai numatyti (vieno tikimybė) ir nepažeidžiant sistemos. Tai yra, turėtų egzistuoti fizinė realybė, kuri visiškai nepriklauso nuo to, kaip mes ją tiriame. Pavyzdžiui, jūsų ūgis ir svoris yra fizinės realybės elementai. Juos galima išmatuoti užtikrintai, bent jau matavimo prietaiso tikslumu. Jie taip pat gali būti matuojami vienu metu, bent jau iš esmės, be jokių abipusių trukdžių. Matuojant ūgį, svoris nepriauga ir nenumeta.

Kai dominuoja kvantiniai efektai, ši švari nepriklausomybė neįmanoma tam tikroms labai svarbioms dydžių poroms, kaip išreikšta Heisenbergo neapibrėžtumo principu. EPR tai atmetė. Jie negalėjo sutikti, kad matavimo veiksmas pažeidžia nuo stebėtojo nepriklausomos tikrovės sampratą. Matavimo aktas kuria tikrovę pagal kvantinę mechaniką, kad dalelė yra tam tikroje erdvės vietoje, tačiau EPR ši idėja pasirodė absurdiška. Jie tvirtino, kad tai, kas tikra, neturi priklausyti nuo to, kas ar ko ieško.

Norėdami iliustruoti savo mintį, EPR įvertino identiškų dalelių porą, tarkime, A ir B, judančias tuo pačiu greičiu, bet priešingomis kryptimis. Dalelių fizinės savybės buvo fiksuotos, kai jos tam tikrą laiką sąveikavo prieš nuskrisdamos viena nuo kitos. Tarkime, detektorius matuoja dalelės A padėtį. Kadangi dalelių greitis yra toks pat, mes taip pat žinome, kur yra dalelė B. Jei detektorius dabar matuoja dalelės B greitį toje vietoje, žinome ir jos padėtį, ir greitį. Atrodė, kad tai prieštarauja Heisenbergo neapibrėžtumo principui, nes informacija apie dalelės padėtį ir greitį, matyt, buvo gauta vienu metu. Be to, mes žinome dalelės savybę (B padėtį) jos nepastebėdami. Remiantis EPR apibrėžimu, ši savybė yra fizinės tikrovės dalis, net jei kvantinė fizika tvirtina, kad mes negalėjome jos žinoti prieš išmatavę. Aišku, argumentuota EPR, kvantinė mechanika turi būti neišsami fizinės realybės teorija. EPR baigė savo straipsnį tikėdamasis, kad geresnė (išsamesnė) teorija sugrąžins fizikos realizmą.

Nielsas Bohras, pasaulėžiūros, kad kvantinė fizika yra keista ir tai gerai, šalininkas, atsakė per šešias savaites. Bohras rėmėsi savo samprata papildomumo, kuris teigia, kad kvantiniame pasaulyje negalime atskirti to, kas aptikta, nuo detektoriaus. Dalelės sąveika su detektoriumi sukelia neapibrėžtumą ne tik dalelėje, bet ir detektoriuje, nes jie yra susiję. Tada matavimo aktas nustato išmatuotą dalelės savybę nenuspėjamai. Prieš matavimą negalime sakyti, kad dalelė iš viso turėjo kokių nors savybių. Tokiu atveju mes taip pat negalime priskirti fizinės tikrovės šiai savybei ta prasme, kurią apibrėžė EPR.

Kaip rašo Bohras,

„Bitininė objekto ir matavimo agentūrų sąveika reiškia būtinybę galutinai atsisakyti klasikinio priežastingumo idealo ir radikaliai peržiūrėti mūsų požiūrį į fizinės tikrovės problemą. Iš esmės dalelė tik dėl sąveikos su matavimo aparatu įgyja konkrečią savybę, tokią kaip padėtis ar impulsas. Prieš matavimą apie tą dalelę nieko negalime pasakyti. Taigi, mes negalime nieko pasakyti apie dalelės fizinę tikrovę, kol ji su kažkuo nesąveikauja.

Einšteino kvantinis vaiduoklis

Einšteinas norėjo realybės, kurią būtų galima pažinti iki pat kvantinio lygio. Bohras tvirtino, kad nėra jokios priežasties to tikėtis. Kodėl labai mažų žmonių pasaulis turėtų paklusti panašiems principams kaip pasaulis, prie kurio esame įpratę? Vis dėlto Schrödingeris taip pat buvo nusiminęs. Atsakydamas į Bohro dokumentą, jis parašė savo, kur pristatė savo garsiąją katę, su kuria netrukus susitiksime.

Sumaniau greičiau: „Big Think“ naujienlaiškis

Prenumeruokite priešingų, stebinančių ir paveikių istorijų, kurios kiekvieną ketvirtadienį pristatomos į gautuosius

Trūkstamoji dalis, jungianti taškus, yra sąvoka įsipainiojimas, pagrindinė kvantinės fizikos sąvoka. Gana sunku nuryti idėją, nes du ar daugiau objektų gali būti sujungti arba supainioti taip, kad nepaisytų vietos ir laiko. Tokiu atveju žinant ką nors apie vieną elementą iš poros, mes ką nors pasakysime apie kitą, net prieš tai, kai kas nors jį matuoja. Ir tai įvyksta akimirksniu arba bent jau greičiau nei šviesa galėjo sklisti tarp jų. Tai buvo tai, ką Einšteinas pavadino „baisu veiksmu per atstumą“. Mes matome, iš kur jis atėjo. Jis įspūdingai išnaudojo veiksmą per atstumą nuo Niutono gravitacijos, parodydamas, kad gravitacijos trauka gali būti paaiškinta išlenktos erdvės ir laiko geometrijos aplink masyvų objektą rezultatas. Einšteinas tą patį norėjo padaryti ir kvantinėje fizikoje. Tačiau dabar žinome, kad kvantinis vaiduoklis čia pasiliks. Pamatysime kodėl kitą kartą.