Tieteiskirjallisuus on elävä vahvistus siitä, että fysiikka voi kiinnostaa paitsi tutkijoita, myös ihmisiä, jotka ovat kaukana tutkimuslaboratorioista. Kirjoissa ja elokuvassa ei tietenkään puhuta tieteellisistä teorioista, vaan he esittävät fyysisiä faktoja viihdyttävällä ja mielenkiintoisella tavalla. Tässä katsauksessa tusina mysteeriä fysiikan alalta, joita tiedemiehet eivät ole vielä selittäneet.
1. Ultrakorkeiden energioiden säteet
Maan ilmakehää pommittavat jatkuvasti avaruudesta tulevat korkeaenergiset hiukkaset, joita kutsutaan "kosmisiksi säteiksi". Vaikka ne eivät aiheuta paljon haittaa ihmisille, fyysikot ovat yksinkertaisesti kiehtovia niistä. Kosmisen säteiden havainnointi on opettanut tutkijoille paljon astrofysiikasta ja hiukkasfysiikasta. Mutta on säteitä, jotka ovat mysteerinä tähän päivään asti. Vuonna 1962 Volcano Ranch -kokeessa John D. Linsley ja Livio Scarsi näkivät jotain uskomatonta: ultrakorkean energian kosmisen säteen, jonka energia oli yli 16 joulea.
Selvittääksemme selvästi, kuinka paljon tämä on, voimme antaa seuraavan esimerkin: yksi joule on energiamäärä, joka tarvitaan nostamaan omena lattialta pöydälle. Kaikki tämä energia keskittyi kuitenkin hiukkaseen, joka oli sata miljoonaa miljardia kertaa pienempi kuin omena. Fyysikot eivät tiedä, kuinka nämä hiukkaset saavat niin uskomattoman määrän energiaa.
2. Universumin inflaatiomalli
Universumi on suuressa mittakaavassa huomattavan yhtenäinen. Niin sanottu "kosmologinen periaate" sanoo, että minne ikinä menetkin universumissa, kaikkialla on keskimäärin suunnilleen sama määrä materiaalia. Mutta Big Bang -teoria viittaa siihen, että suuria tiheyseroja on täytynyt havaita universumin alkaessa. Siten se oli paljon vähemmän homogeeninen kuin maailmankaikkeus nykyään.
Inflaatiomalli viittaa siihen, että universumi, jonka kaikki näkevät nykyään, on peräisin pienestä määrästä varhaista universumia. Tämä pieni tilavuus laajeni yhtäkkiä ja nopeasti, paljon nopeammin kuin maailmankaikkeus laajenee nykyään. Karkeasti sanottuna näytti siltä, että ilmapallo oli yhtäkkiä täyttynyt ilmaa. Vaikka tämä selittää, miksi universumi on nykyään homogeenisempi, fyysikot eivät vieläkään tiedä, mikä tämän "turvotuksen" aiheutti.
3. Pimeä energia ja pimeä aine
Se on hämmästyttävä tosiasia: vain noin 5 prosenttia maailmankaikkeudesta koostuu siitä, mitä ihmiset voivat nähdä. Vuosikymmeniä sitten fyysikot huomasivat, että galaksien ulkoreunoilla olevat tähdet kiertävät galaksien keskustaa ennustettua nopeammin. Tämän selittämiseksi tutkijat arvelivat, että näissä galakseissa saattaa olla näkymätöntä "pimeää" ainetta, joka sai tähdet pyörimään nopeammin .
Tämän teorian ilmaantumisen jälkeen laajenevan maailmankaikkeuden lisähavainnot saivat fyysikot päättelemään, että pimeää ainetta täytyy olla viisi kertaa enemmän kuin mitään, mitä ihmiset voivat nähdä (eli tavallista ainetta). Tämän ohella tiedemiehet tietävät, että maailmankaikkeuden laajeneminen todellakin kiihtyy. Tämä on outoa, koska voisi olettaa, että aineen vetovoima ("tavallinen" ja "pimeä") hidastaisi universumin laajenemista.
Selittääkseen, mikä tasapainottaa aineen vetovoimaa, tutkijat ovat ehdottaneet "pimeän energian" olemassaoloa, joka edistää universumin laajenemista. Fyysikot uskovat, että vähintään 70 prosenttia maailmankaikkeudesta on "pimeän energian" muodossa. Kuitenkin tähän päivään mennessä pimeän aineen muodostavia hiukkasia ja pimeän energian muodostavaa kenttää ei ole koskaan havaittu suoraan laboratoriossa. Itse asiassa tiedemiehet eivät tiedä mitään 95 prosentista maailmankaikkeudesta.
4. Mustan aukon sydän
Mustat aukot ovat yksi astrofysiikan tunnetuimmista esineistä. Niitä voidaan kuvata aika-avaruusalueiksi, joilla on niin voimakkaat gravitaatiokentät, että edes valo ei pääse tunkeutumaan sisältä. Siitä lähtien, kun Albert Einstein osoitti yleisessä suhteellisuusteoriassaan, että painovoima "vääntää" tilaa ja aikaa, tiedemiehet ovat tienneet, että valo ei ole immuuni gravitaatiovaikutuksille.
Itse asiassa Einsteinin teoria todistettiin auringonpimennyksen aikana, joka osoitti, että auringon painovoima taittaa valonsäteet kaukaisista tähdistä. Sen jälkeen on havaittu monia mustia aukkoja, mukaan lukien galaksimme keskellä oleva valtava. Mutta mysteeri siitä, mitä mustan aukon sydämessä tapahtuu, on edelleen ratkaisematta.
Jotkut fyysikot uskovat, että voi olla "singulaarisuus" - äärettömän tiheyden piste, jossa jonkin verran massaa on keskittynyt äärettömän pieneen tilaan. Vielä kuitenkin keskustellaan siitä, katoaako tietoa mustien aukkojen sisällä, jotka absorboivat kaikki hiukkaset ja säteilyn. Vaikka Hawking-säteily tulee mustista aukoista, se ei sisällä mitään lisätietoa mustan aukon sisällä tapahtuvasta.
5. Älykäs elämä maan ulkopuolella
Ihmiset ovat haaveilleet avaruusolioista vuosisatojen ajan, kun he katsovat yötaivasta ja ihmettelevät, voisiko siellä asua joku. Mutta viime vuosikymmeninä on löydetty paljon todisteita siitä, että tämä ei ole vain unta. Ensinnäkin eksoplaneetat ovat paljon yleisempiä kuin aiemmin uskottiin, sillä useimmilla tähdillä on planeettajärjestelmät. Tiedetään myös, että aikaero elämän ilmaantumisen Maapallolle ja älykkään elämän ilmestymisen välillä on hyvin pieni. Tarkoittaako tämä, että elämän on täytynyt muodostua moniin paikkoihin.
Jos näin on, meidän on vastattava kuuluisaan "Fermi-paradoksiin": miksi ihmiset eivät ole vielä ottaneet yhteyttä muukalaisiin. Ehkä elämä on yleistä, mutta älykäs elämä on harvinaista. Ehkä jonkin ajan kuluttua kaikki sivilisaatiot päättävät olla kommunikoimatta muiden elämänmuotojen kanssa. Ehkä he eivät vain halua puhua ihmisten kanssa. Tai kummallista kyllä, ehkä se osoittaa, että monet muukalaissivilisaatiot tuhoavat itsensä pian sen jälkeen, kun niistä on tullut tarpeeksi kehittyneitä kommunikoimaan.
6. Matkustaa nopeammin kuin valonnopeus
Siitä lähtien, kun Einstein muutti koko fysiikan erityisellä suhteellisuusteoriallaan, fyysikot ovat olleet vakuuttuneita siitä, että mikään ei voi kulkea valon nopeutta nopeammin. Itse asiassa suhteellisuusteoria sanoo, että kun mikä tahansa massa liikkuu nopeudella, joka on lähellä valonnopeutta, se vaatii valtavasti energiaa. Tämä näkyy aiemmin mainituissa ultrakorkean energian kosmisissa säteissä. Niillä on kokoonsa nähden poikkeuksellinen energia, mutta ne eivät myöskään kulje valon nopeutta nopeammin.
Valonnopeuden tuskin rajoittaminen voi myös selittää, miksi vieraiden sivilisaatioiden viestintä on epätodennäköistä. Jos myös tämä tekijä rajoittaa niitä, signaalit voivat jatkua tuhansia vuosia. Vuonna 2011 OPERA-koe tuotti alustavia tuloksia, joiden mukaan neutriinot kulkevat valon nopeutta nopeammin.
Myöhemmin tutkijat huomasivat virheitä kokeellisessa asetelmassaan, mikä vahvisti tulosten olevan virheellisiä. Joka tapauksessa, jos on olemassa keino siirtää ainetta tai tietoa nopeammin kuin valonnopeus, se epäilemättä muuttaa maailmaa.
7. Tapa kuvata turbulenssia
Jos palaat avaruudesta Maahan, käy ilmi, että jokapäiväisessä elämässä on monia asioita, joita on vaikea ymmärtää. Yksinkertaisimmassa esimerkissä sinun ei tarvitse mennä kauas - voit avata hanan kotona. Jos et avaa sitä kokonaan, vesi virtaa tasaisesti (tätä kutsutaan "laminaarivirtaukseksi"). Mutta jos avaat hanan kokonaan, vesi alkaa virrata epätasaisesti ja roiskua. Tämä on yksinkertaisin esimerkki turbulenssista. Turbulenssi on monella tapaa edelleen ratkaisematon ongelma fysiikassa.
8. Huoneenlämpöinen suprajohde
Suprajohteet ovat yksi tärkeimmistä laitteista ja teknologioista, joita ihmiset ovat koskaan löytäneet. Tämä on erityinen materiaali. Kun lämpötila laskee tarpeeksi alhaiseksi, materiaalin sähkövastus putoaa nollaan. Tämä tarkoittaa, että on mahdollista saada valtava virta, kun suprajohteeseen on kytketty pieni jännite.
Teoreettisesti sähkövirta voi virrata suprajohtavassa langassa miljardeja vuosia ilman hajoamista, koska sen virralle ei ole vastusta. Nykyaikaisissa tavallisissa johdoissa ja kaapeleissa merkittävä osa tehosta menetetään vastuksen takia. Suprajohteet voisivat vähentää nämä häviöt nollaan.
On yksi ongelma - jopa korkean lämpötilan suprajohteet on jäähdytettävä miinus 140 celsiusasteeseen ennen kuin ne alkavat näyttää merkittäviä ominaisuuksiaan. Jäähdyttäminen niin alhaisiin lämpötiloihin vaatii yleensä nestemäistä typpeä tai jotain vastaavaa. Siksi se on erittäin kallista. Monet fyysikot ympäri maailmaa yrittävät luoda suprajohteen, joka voi toimia huoneenlämpötilassa.
9. Aine ja antimateria
Tietyssä mielessä ihmiset eivät vieläkään tiedä, miksi jotain on ylipäätään olemassa. Jokaiselle hiukkaselle on "vastakkainen" hiukkanen, jota kutsutaan antihiukkaseksi. Joten elektroneille on positroneja, protoneille on antiprotoneja ja niin edelleen. Jos hiukkanen koskaan koskettaa sen antihiukkasta, ne tuhoutuvat ja muuttuvat säteilyksi.
Ei ole yllättävää, että antimateria on uskomattoman harvinaista, koska kaikki yksinkertaisesti tuhoutuisi. Joskus se tulee esiin kosmisissa säteissä. Tiedemiehet voivat myös valmistaa antimateriaa hiukkaskiihdyttimissä, mutta se maksaa biljoonia dollareita grammaa kohden. Yleisesti ottaen antimateria on (tieteilijöiden mukaan) kuitenkin uskomattoman harvinaista universumissamme. Miksi näin on, on todellinen mysteeri.
Kukaan ei vain tiedä, miksi universumiamme hallitsee aine eikä antimateriaali, koska jokainen tunnettu prosessi, joka muuttaa energian (säteilyn) aineeksi, tuottaa saman määrän ainetta ja antimateriaa. Wilderin teoria ehdottaa, että universumissa voi olla kokonaisia alueita, joita hallitsee antiaine.
10. Yhtenäinen teoria
1900-luvulla kehitettiin kaksi suurta teoriaa, jotka selittivät paljon fysiikasta. Yksi niistä oli kvanttimekaniikka, joka kuvasi yksityiskohtaisesti kuinka pienet subatomiset hiukkaset käyttäytyvät ja ovat vuorovaikutuksessa. Kvanttimekaniikka ja hiukkasfysiikan standardimalli ovat selittäneet kolme luonnon neljästä fysikaalisesta voimasta: sähkömagnetismin sekä vahvat ja heikot ydinvoimat.
Toinen suuri teoria oli Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, joka selittää painovoiman. Yleisessä suhteellisuusteoriassa painovoima ilmenee, kun massan läsnäolo taittaa tilaa ja aikaa, jolloin hiukkaset seuraavat tiettyjä kaarevia polkuja. Tämä voisi selittää asioita, joita tapahtuu mitä suurimmassa mittakaavassa - galaksien ja tähtien muodostumista. On vain yksi ongelma. Nämä kaksi teoriaa ovat ristiriidassa keskenään.
Tiedemiehet eivät voi selittää gravitaatiota kvanttimekaniikan järkevillä tavoilla, ja yleinen suhteellisuusteoria ei sisällä kvanttimekaniikan vaikutuksia. Sikäli kuin voidaan sanoa, molemmat teoriat ovat oikeita. Mutta he eivät näytä toimivan yhdessä. Fyysikot ovat pitkään työstäneet ratkaisua, joka voi sovittaa yhteen nämä kaksi teoriaa. Sitä kutsutaan suureksi yhtenäiseksi teoriaksi tai yksinkertaisesti kaiken teoriaksi. Etsintä jatkuu.
Ja jatkoksi aiheeseen olemme keränneet lisää.
Nyt mielenkiintoisin. Kuvasta on tullut monimutkaisempi, mutta sinun ei pitäisi pelätä. Kaikki on hyvin yksinkertaista. Laitetaanpa läpikuultava peili ilmaisimien (3) ja (4) eteen, kuten alussa käytimme. Seuraavaksi lähetetään heijastuneet fotonit toiseen läpikuultavaan peiliin (kaaviossa lähteen vasemmalla puolella). "Tyhjänä käyvä" fotoni todennäköisyydellä 50 % kulkee puoliläpinäkyvän peilin läpi ja menee ilmaisimeen (3) tai (4) TAI, 50 % todennäköisyydellä se heijastuu PS:stä, osuu vasemmalla olevaan PS:ään ja osuu 50 %:n todennäköisyydellä kohtaan (5) tai 50 %:sta kohtaan 6). Jos "tyhjä" fotoni osui ilmaisimeen (3) tai (4), tiedämme, että alkuperäinen fotoni kulki ylhäältä tai alhaalta. Päinvastoin, jos ilmaisin (5) tai (6) laukaisi, emme tiedä minkä polun fotoni kulki. Korostan vielä kerran - kun (3) tai (4) laukeaa, meillä on tietoa, minkä polun fotoni kulki. Kun (5) tai (6) laukeaa, tällaista tietoa ei ole. Tämän monimutkaisen järjestelmän avulla poistamme tiedon siitä, minkä polun fotoni kulki.
Nyt upein tulos - jos valitset näytöltä ne pisteet, jotka ilmestyivät, kun (3) tai (4) laukaisivat - häiriöitä ei tapahdu, mutta jos valitset osajoukon pisteitä, jotka saatiin, kun (5) tai (6) ) laukaistiin, ne muodostavat häiriökuvion! Harkitse tätä tulosta hetki: fotoni ei välitä, "koskemmeko" sitä vai emme kokeen aikana. Alamuuntimien avulla saamme mahdollista tietoa siitä, minne fotoni meni. Jos se toteutuu (ilmaisimet (3) tai (4)) - kuva tuhoutuu, mutta jos poistamme sen huolellisesti (ilmaisimet (5) tai (6) toimivat), onnistumme saamaan fotonin häiritsemään. Häiriöitä ei tuhoa mekaaninen tunkeutuminen kokeeseen, vaan tiedon läsnäolo. Tutkijat väittävät, että tällaisia kokeita ei suoritettu vain fotoneilla, elektroneilla, vaan myös kokonaisilla molekyyleillä.
Maailmamme lait ovat hyvin outoja ja joskus ristiriitaisia. Makroskooppisella tasolla saattaa näyttää siltä, että enemmän tai vähemmän kaikki on selvää. Mutta heti kun alamme käsitellä alkuainehiukkasia, koko jokapäiväinen kokemuksemme romahtaa. Ja mitä meitä odottaa Planckin mittakaavassa, sitä rohkeimmatkin tieteiskirjailijat eivät voi kuvitella.
Tiedetään, että Albert Einstein ei elämänsä loppuun asti hyväksynyt kvanttimekaniikkaa sen epävarmuudella, stokastisilla, satunnaisilla ja kaoottisilla prosesseilla. Tämä hylkääminen ilmaistiin Einsteinin lauseilla: "Jumala ei pelaa noppaa" ja "Onko kuu olemassa vain siksi, että hiiri katsoo sitä?". Nuo. Einstein seisoi selkeällä kannalla fysikaalisten, myös kvanttiprosessien, determinismin suhteen. Einstein yksinkertaisesti uskoi, että fyysikot eivät olleet vielä löytäneet niitä vakioita, jotka vaikuttavat kvanttihiukkasten käyttäytymiseen.
P.S.: Tämä kokeilu ei ollut ollenkaan henkinen, vaan melko todellinen ja suoritettiin, vaikka se näyttikin monimutkaisemmalta ja monimutkaisemmalta kuin mitä tässä kuvailin.
Kukaan maailmassa ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa - tämä on tärkein asia, joka sinun on tiedettävä siitä. Kyllä, monet fyysikot ovat oppineet käyttämään sen lakeja ja jopa ennustamaan ilmiöitä kvanttilaskelmien avulla. Mutta edelleen on epäselvää, miksi tarkkailijan läsnäolo määrittää järjestelmän kohtalon ja pakottaa sen tekemään valinnan yhden valtion puolesta. "Teoriat ja käytännöt" valitsi esimerkkejä kokeista, joiden lopputulokseen havainnoitsija väistämättä vaikuttaa, ja yritti selvittää, mitä kvanttimekaniikka tulee tekemään sellaisella tietoisuuden häiriöllä aineelliseen todellisuuteen.
Shroedingerin kissa
Nykyään kvanttimekaniikasta on monia tulkintoja, joista suosituin on edelleen Kööpenhaminan tulkinta. Sen pääsäännöt muotoilivat 1920-luvulla Niels Bohr ja Werner Heisenberg. Ja Kööpenhaminan tulkinnan keskeinen termi oli aaltofunktio - matemaattinen funktio, joka sisältää tietoa kvanttijärjestelmän kaikista mahdollisista tiloista, joissa se samanaikaisesti asuu.
Kööpenhaminan tulkinnan mukaan vain havainto voi määrittää tarkasti järjestelmän tilan, erottaa sen muusta (aaltofunktio auttaa vain laskemaan matemaattisesti järjestelmän havaitsemisen todennäköisyyden tietyssä tilassa). Voidaan sanoa, että havainnoinnin jälkeen kvanttijärjestelmästä tulee klassinen: se lakkaa hetkessä olemasta rinnakkain useissa tiloissa kerralla yhden niistä hyväksi.
Tällä lähestymistavalla on aina ollut vastustajia (muistakaa esimerkiksi Albert Einsteinin "Jumala ei pelaa noppaa"), mutta laskelmien ja ennusteiden tarkkuus vaati veronsa. Kööpenhaminan tulkinnan kannattajia on kuitenkin viime vuosina ollut yhä vähemmän, eikä vähäisin syy tähän on aaltofunktion erittäin mystinen hetkellinen romahdus mittauksen aikana. Erwin Schrödingerin kuuluisa ajatuskoe köyhällä kissalla oli vain suunniteltu osoittamaan tämän ilmiön absurdiutta.
Muistetaan siis kokeen sisältö. Mustaan laatikkoon laitetaan elävä kissa, myrkkyampulli ja jokin mekanismi, joka voi saada myrkyn toimimaan satunnaisella hetkellä. Esimerkiksi yksi radioaktiivinen atomi, jonka hajoaminen rikkoo ampullin. Atomin tarkkaa hajoamisaikaa ei tunneta. Vain puoliintumisaika tunnetaan: aika, jonka aikana hajoaminen tapahtuu 50 %:n todennäköisyydellä.
Osoittautuu, että ulkopuoliselle tarkkailijalle laatikon sisällä oleva kissa on kahdessa tilassa kerralla: se on joko elossa, jos kaikki menee hyvin, tai kuollut, jos lahoaminen on tapahtunut ja ampulli on rikki. Molempia näitä tiloja kuvaa kissan aaltofunktio, joka muuttuu ajan myötä: mitä kauemmaksi, sitä todennäköisemmin radioaktiivinen hajoaminen on jo tapahtunut. Mutta heti kun laatikko avataan, aaltofunktio romahtaa ja näemme välittömästi flayer-kokeen tuloksen.
Osoittautuu, että kunnes tarkkailija avaa laatikon, kissa tasapainoilee ikuisesti elämän ja kuoleman rajalla, ja vain tarkkailijan toiminta ratkaisee hänen kohtalonsa. Tämä on absurdi, jonka Schrödinger huomautti.
Elektronien diffraktio
The New York Timesin johtavien fyysikkojen kyselyn mukaan Klaus Jensonin vuonna 1961 tekemä elektronidiffraktiokoke oli yksi tieteen historian kauneimmista. Mikä on sen olemus?
On lähde, joka lähettää elektronivirran kohti näyttövalokuvalevyä. Ja näiden elektronien tiellä on este - kuparilevy, jossa on kaksi rakoa. Millaista kuvaa ruudulla voidaan odottaa, jos elektronit esitetään vain pieninä varautuneina palloina? Kaksi valaistua nauhaa rakoja vastapäätä.
Todellisuudessa näytölle ilmestyy paljon monimutkaisempi kuvio vuorottelevista mustista ja valkoisista raidoista. Tosiasia on, että kulkiessaan rakojen läpi elektronit alkavat käyttäytyä ei hiukkasten, vaan aaltojen tavoin (kuten fotonit, valon hiukkaset, voivat olla samanaikaisesti aaltoja). Sitten nämä aallot ovat vuorovaikutuksessa avaruudessa, jossain heikentäen ja jossain vahvistaen toisiaan, ja sen seurauksena näytölle ilmestyy monimutkainen kuva vuorottelevista vaaleista ja tummista raidoista.
Tässä tapauksessa kokeen tulos ei muutu, ja jos elektroneja kuljetetaan raon läpi ei jatkuvana virtana, vaan yksitellen, yksikin hiukkanen voi olla samanaikaisesti aalto. Jopa yksi elektroni voi kulkea kahden raon läpi samanaikaisesti (ja tämä on toinen Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan tärkeistä säännöksistä - esineet voivat näyttää samanaikaisesti sekä "tavanomaisia" materiaaliominaisuuksia että eksoottisia aaltoominaisuuksia).
Mutta entä tarkkailija? Huolimatta siitä, että hänen kanssaan jo monimutkainen tarina muuttui vielä monimutkaisemmaksi. Kun tällaisissa kokeissa fyysikot yrittivät korjata välineiden avulla, joiden kautta elektroni todella kulkee, kuva näytöllä muuttui dramaattisesti ja muuttui "klassiseksi": kaksi valaistua aluetta rakoja vastapäätä eikä vuorottelevia raitoja.
Elektronit eivät näyttäneet haluavan näyttää aaltoluonnetaan tarkkailijan katseessa. Säädetty hänen vaistomaiseen halukkuuteensa nähdä yksinkertainen ja ymmärrettävä kuva. Mystinen? Selitys on paljon yksinkertaisempi: mitään järjestelmän havainnointia ei voida suorittaa ilman fyysistä vaikutusta siihen. Mutta palataan tähän hieman myöhemmin.
Lämmitetty fullereeni
Hiukkasdiffraktiokokeita ei suoritettu vain elektroneilla, vaan myös paljon suuremmilla esineillä. Esimerkiksi fullereenit ovat suuria, suljettuja molekyylejä, jotka koostuvat kymmenistä hiiliatomeista (esimerkiksi 60 hiiliatomin fullereeni on muodoltaan hyvin samanlainen kuin jalkapallo: ontto pallo, joka on ommeltu viidestä ja kuusikulmiosta).
Äskettäin Wienin yliopistossa professori Zeilingerin johtama ryhmä on yrittänyt tuoda havainnointielementin tällaisiin kokeisiin. Tätä varten he säteilyttivät liikkuvia fullereenimolekyylejä lasersäteellä. Sen jälkeen ulkoisen vaikutuksen kuumentamana molekyylit alkoivat hehkua ja siten väistämättä paljastavat paikkansa avaruudessa havainnoijalle.
Tämän innovaation myötä myös molekyylien käyttäytyminen on muuttunut. Ennen täydellisen valvonnan alkamista fullereenit kiersivät varsin onnistuneesti esteitä (osoittivat aaltoominaisuuksia), kuten edellisen esimerkin elektronit, jotka kulkivat läpinäkymättömän näytön läpi. Mutta myöhemmin, tarkkailijan tulon myötä, fullereenit rauhoittuivat ja alkoivat käyttäytyä kuin täysin lainkuuliaisia aineen hiukkasia.
Jäähdytysmitta
Yksi kvanttimaailman tunnetuimmista laeista on Heisenbergin epävarmuusperiaate: on mahdotonta määrittää samanaikaisesti kvanttiobjektin sijaintia ja nopeutta. Mitä tarkemmin mittaamme hiukkasen liikemäärän, sitä vähemmän tarkasti voimme mitata sen sijaintia. Mutta pienten hiukkasten tasolla toimivien kvanttilakien toiminta on yleensä huomaamaton suurten makroobjektien maailmassamme.
Siksi sitä arvokkaampia ovat yhdysvaltalaisen professori Schwabin ryhmän viimeaikaiset kokeet, joissa kvanttivaikutuksia ei osoitettu samojen elektronien tai fullereenimolekyylien tasolla (niiden ominaishalkaisija on noin 1 nm), vaan hieman konkreettisempi esine - pieni alumiininauha.
Tämä nauha oli kiinnitetty molemmilta puolilta siten, että sen keskiosa oli riippuvaisessa tilassa ja saattoi täristä ulkoisen vaikutuksen alaisena. Lisäksi nauhan vieressä oli laite, joka pystyi tallentamaan sen sijainnin suurella tarkkuudella.
Tuloksena kokeilijat löysivät kaksi mielenkiintoista vaikutusta. Ensinnäkin esineen sijainnin mittaus, nauhan tarkkailu ei mennyt ilman jälkiä - jokaisen mittauksen jälkeen nauhan sijainti muuttui. Karkeasti sanottuna kokeen tekijät määrittelivät nauhan koordinaatit suurella tarkkuudella ja muuttivat siten Heisenbergin periaatteen mukaisesti sen nopeutta ja siten myöhempää sijaintia.
Toiseksi, mikä on jo melko odottamatonta, jotkut mittaukset johtivat myös nauhan jäähtymiseen. Osoittautuu, että tarkkailija voi muuttaa esineiden fyysisiä ominaisuuksia vain läsnäolollaan. Kuulostaa aivan uskomattomalta, mutta fyysikkojen kunniaksi sanotaan, että he eivät olleet tappiolla - nyt professori Schwabin ryhmä pohtii, kuinka soveltaa löydettyä vaikutusta jäähdytyselektroniikkapiireihin.
Jäätyviä hiukkasia
Kuten tiedät, epästabiilit radioaktiiviset hiukkaset hajoavat maailmassa paitsi kissoilla suoritettavien kokeiden vuoksi, myös aivan itsestään. Lisäksi jokaiselle hiukkaselle on ominaista keskimääräinen elinikä, joka voi osoittautua pitkiksi tarkkailijan katseessa.
Tämä kvanttivaikutus ennustettiin ensimmäisen kerran jo 1960-luvulla, ja sen loistava kokeellinen vahvistus ilmestyi vuonna 2006 julkaistussa artikkelissa, jonka julkaisi fysiikan Nobel-palkittu Wolfgang Ketterle Massachusetts Institute of Technologysta.
Tässä työssä tutkimme epästabiilien virittyneiden rubidiumatomien hajoamista (hajoamista rubidiumatomeiksi perustilassa ja fotoneiksi). Välittömästi järjestelmän valmistelun jälkeen alettiin havaita atomien viritystä - ne valaistiin lasersäteellä. Tässä tapauksessa havainnointi suoritettiin kahdessa tilassa: jatkuva (pieniä valopulsseja syötetään jatkuvasti järjestelmään) ja pulssi (järjestelmää säteilytetään aika ajoin tehokkaammilla pulsseilla).
Saadut tulokset ovat erinomaisesti yhtäpitäviä teoreettisten ennusteiden kanssa. Ulkoiset valoefektit todella hidastavat hiukkasten hajoamista, ikään kuin palauttaisivat ne alkuperäiseen, kaukana hajoamattomasta tilaan. Tässä tapauksessa vaikutuksen suuruus kahdessa tutkitussa järjestelmässä vastaa myös ennusteita. Ja epävakaiden virittyneiden rubidiumatomien enimmäiskesto pidennettiin 30 kertaa.
Kvanttimekaniikka ja tietoisuus
Elektronit ja fullereenit lakkaavat näyttämästä aaltoominaisuuksiaan, alumiinilevyt jäähtyvät ja epävakaat hiukkaset jäätyvät hajoaessaan: tarkkailijan kaikkivoipa katseen alla maailma muuttuu. Mikä ei ole todiste mielemme osallistumisesta ympäröivän maailman työhön? Joten ehkä Carl Jung ja Wolfgang Pauli (itävaltalainen fyysikko, Nobel-palkittu, yksi kvanttimekaniikan pioneereista) olivat oikeassa sanoessaan, että fysiikan ja tietoisuuden lakeja pitäisi pitää toisiaan täydentävinä?
Mutta niin on vain yksi askel jäljellä velvollisuuden tunnustamiseen: koko maailma ympärillämme on mielemme ydin. Kammottava? ("Luuletko todella, että Kuu on olemassa vain, kun katsot sitä?" Einstein kommentoi kvanttimekaniikan periaatteita). Sitten yritetään uudelleen kääntyä fyysikkojen puoleen. Lisäksi he ovat viime vuosina yhä vähemmän tyytyväisiä kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tulkintaan sen salaperäisellä funktioaallon romahduksella, joka korvataan toisella, varsin arkipäiväisellä ja luotettavalla termillä - dekoherenssilla.
Tässä on asia - kaikissa kuvatuissa havainnointikokeissa kokeilijat vaikuttivat väistämättä järjestelmään. Se valaistiin laserilla, mittauslaitteet asennettiin. Ja tämä on yleinen, erittäin tärkeä periaate: et voi tarkkailla järjestelmää, mitata sen ominaisuuksia olematta vuorovaikutuksessa sen kanssa. Ja missä on vuorovaikutusta, ominaisuudet muuttuvat. Varsinkin kun kvanttiobjektien kolossi ovat vuorovaikutuksessa pienen kvanttijärjestelmän kanssa. Joten tarkkailijan ikuinen buddhalainen puolueettomuus on mahdotonta.
Juuri tämä selittää termin "dekoherenssi" - peruuttamaton prosessi järjestelmän kvanttiominaisuuksien rikkomisen kannalta, kun se on vuorovaikutuksessa toisen, suuren järjestelmän kanssa. Tällaisen vuorovaikutuksen aikana kvanttijärjestelmä menettää alkuperäiset piirteensä ja muuttuu klassisiksi, "tottelee" suurta järjestelmää. Tämä selittää paradoksin Schrödingerin kissan kanssa: kissa on niin suuri järjestelmä, että sitä ei yksinkertaisesti voida eristää maailmasta. Ajatuskokeen asetelma ei ole täysin oikea.
Joka tapauksessa, verrattuna todellisuuteen tietoisuuden luomisena, dekoherenssi kuulostaa paljon rauhallisemmalta. Ehkä jopa liian rauhallinen. Loppujen lopuksi tällä lähestymistavalla koko klassisesta maailmasta tulee yksi suuri dekoherenssiefekti. Ja yhden alan vakavimman kirjan kirjoittajien mukaan sellaisista lähestymistavoista seuraa loogisesti myös väitteitä, kuten "maailmassa ei ole hiukkasia" tai "ei ole aikaa perustasolla".
Luova tarkkailija vai kaikkivoipa dekoherenssi? Sinun on valittava kahdesta pahasta. Mutta muista - nyt tiedemiehet ovat yhä vakuuttuneempia siitä, että erittäin pahamaineiset kvanttivaikutukset ovat ajatteluprosessiemme taustalla. Joten missä havainto päättyy ja todellisuus alkaa - jokaisen meistä on valittava.
3) Ja koska tämä on kvanttiteoria, aika-avaruus voi tehdä kaiken tämän samanaikaisesti. Se voi samanaikaisesti luoda vauvauniversumin, mutta ei luoda sitä.
Avaruuden kudos ei välttämättä ole ollenkaan kangas, vaan se voi koostua erillisistä komponenteista, jotka näyttävät meistä vain jatkuvalta kankaalta suurissa makroskooppisissa mittakaavassa.
4) Useimmissa kvanttigravitaation lähestymistavoissa aika-avaruus ei ole perustavanlaatuinen, vaan se koostuu jostain muusta. Nämä voivat olla merkkijonoja, silmukoita, kubitteja tai muunnelmia avaruus-aika "atomeista", jotka esiintyvät tiivistetyn aineen lähestymistapoissa. Erilliset komponentit voidaan purkaa vain käyttämällä korkeimpia energioita, jotka ylittävät paljon maapallolla käytettävissämme olevat energiat.
5) Joissakin tiivistetyn aineen lähestymistavoissa aika-avaruudella on kiinteän tai nestemäisen kappaleen ominaisuuksia, eli se voi olla elastinen tai viskoosi. Jos näin todella on, havaittavissa olevat seuraukset ovat väistämättömiä. Fyysikot etsivät tällä hetkellä jälkiä samankaltaisista vaikutuksista liikkuvista hiukkasista, eli valosta tai elektroneista, jotka saavuttavat meidät syvästä avaruudesta.
Kaaviomainen animaatio jatkuvasta valonsäteestä, joka on siroteltu prisman avulla. Joissakin kvanttigravitaation lähestymistavoissa avaruus voi toimia dispersioväliaineena eri valon aallonpituuksille.
6) Avaruus-aika voi vaikuttaa siihen, miten valo kulkee sen läpi. Se ei välttämättä ole täysin läpinäkyvä tai erivärinen valo voi kulkea eri nopeuksilla. Jos kvanttiavaruus-aika vaikuttaa valon etenemiseen, tämäkin voidaan havaita tulevissa kokeissa.
7) Aika-avaruuden vaihtelut voivat tuhota kaukaisista lähteistä tulevan valon kyvyn luoda häiriökuvioita. Tätä tehostetta etsittiin, mutta sitä ei löytynyt ainakaan näkyvältä alueelta.
Kahden paksun raon (ylhäällä), kahden ohuen raon (keskellä) tai yhden paksun raon (alhaalla) läpi kulkeva valo osoittaa interferenssiä, mikä osoittaa sen aaltoluonteen. Mutta kvanttigravitaatiossa jotkin odotetut häiriöominaisuudet eivät ehkä ole mahdollisia.
8) Vahvan kaarevuuden alueilla aika voi muuttua avaruuteen. Tämä voi tapahtua esimerkiksi mustien aukkojen sisällä tai alkuräjähdyksen aikana. Tässä tapauksessa meille kolmella tila- ja ulottuvuudella ja yhdellä ajalla tuntema aika-avaruus voi muuttua neliulotteiseksi "euklidiseksi" avaruudeksi.
Kahden eri paikan yhdistäminen avaruudessa tai ajassa madonreiän kautta jää vain teoreettiseksi ajatukseksi, mutta se voi olla paitsi mielenkiintoista myös väistämätöntä kvanttigravitaatiossa.
Avaruus-aika voi olla ei-paikallisesti yhdistetty pieniin madonreikiin, jotka läpäisevät koko maailmankaikkeuden. Tällaisia ei-paikallisia yhteyksiä on oltava kaikissa lähestymistavoissa, joiden taustalla oleva rakenne ei ole geometrinen, kuten graafissa tai verkossa. Tämä johtuu siitä, että tällaisissa tapauksissa "läheisyyden" käsite ei ole perustavanlaatuinen, vaan implisiittinen ja epätäydellinen, jotta syrjäiset alueet voidaan yhdistää satunnaisesti.
10) Ehkä jotta voimme yhdistää kvanttiteorian painovoiman kanssa, meidän ei tarvitse päivittää painovoimaa, vaan itse kvanttiteoriaa. Jos näin on, seuraukset ovat kauaskantoisia. Koska kvanttiteoria on kaikkien elektronisten laitteiden ytimessä, sen tarkistaminen avaa täysin uusia mahdollisuuksia.
Vaikka kvanttigravitaatiota pidetään usein puhtaasti teoreettisena ajatuksena, kokeelliseen todentamiseen on monia mahdollisuuksia. Me kaikki matkustamme aika-avaruudessa joka päivä. Hänen ymmärryksensä voi muuttaa elämämme.
Kvanttifysiikan mysteerit johtuvat myös maailman modernin rakenteen tuntemattomista esineistä. Ympäröivän tilan mekaanisen kuvan rakentamista ei voida saattaa päätökseen, vain klassisen fysiikan teorian perinteiseen tietoon nojautumalla. Klassisen fysikaalisen teorian lisäksi näkemykset fyysisen todellisuuden rakenteen organisoinnista vaikuttavat voimakkaasti Maxwellin ensimmäisenä rakentaman sähkömagneettisten kenttien teoriaan. Voidaan väittää, että juuri silloin laskettiin kvanttilähestymistavan vaihe modernissa fysiikassa.
Se yhdistettiin, uusi vaihe kvanttiteorian muodostumisessa, ja järkyttävän tiedeyhteisön kanssa kuuluisan kokeellisen fyysikon - Max Planckin tutkimustyöt. Kvanttifysiikan kehityksen tärkein sysäys alkoi ja sitä leimasi yritys ratkaista tieteellinen ongelma, sähkömagneettisten aaltojen tutkimus.
Klassinen käsitys aineen fysikaalisesta olemuksesta ei antanut aihetta oikeuttaa muutosta monissa muissa kuin mekaanisissa ominaisuuksissa. Tutkittu aine ei noudattanut klassisia fysiikan lakeja, mikä aiheutti uusia ongelmia tutkimukselle ja pakotti tieteellistä tutkimusta.
Planck poikkesi tieteellisen teorian klassisesta tulkinnasta, joka ei täysin heijastanut tapahtuvien ilmiöiden todellisuutta, tarjoten oman näkemyksensä ja olettanut aineen atomien energiasäteilyn diskreettiä. Tämä lähestymistapa teki mahdolliseksi ratkaista monet klassisen sähkömagnetismin teorian pysähtymiskohdat. Fysikaalisten lakien esittämisen taustalla olevien prosessien jatkuvuus ei sallinut laskelmien tekemistä, ei pelkästään kompromissivirheellä, vaan joskus se ei heijastanut ilmiöiden olemusta.
Planckin kvanttiteoria, jonka mukaan atomit pystyvät emittoimaan sähkömagneettista energiaa vain erillisinä osina, eikä, kuten aiemmin todettiin, prosessin jatkuvuudesta, mahdollisti fysiikan kehityksen siirtämisen kvantiteoriana. prosesseista. Korpuskulaarinen teoria väitti, että energiaa säteilee jatkuvasti, ja tämä oli suurin ristiriita.
Kvanttifysiikan mysteerit ovat kuitenkin jääneet perusteita myöten tutkimatta. Se on vain, että Planckin kokeet antoivat mahdollisuuden kehittää käsitys ympäröivän maailman rakenteen monimutkaisuudesta ja aineen järjestäytymisestä, mutta eivät antaneet meille mahdollisuutta vihdoin pisteyttää kaikkia "ja". Tämä epätäydellisyys mahdollistaa jo nytkin työskentelyn aikamme tutkijoiden teoreettisen kvanttitutkimuksen kehittämisen parissa.
Lisää artikkeleita tästä aiheesta:
- 9. huhtikuuta 2012 -- (0)
Einstein, yrittäessään vertailla erimielisyyksiä klassisen mekaniikan perusteissa, tuli siihen tulokseen, että muut kvanttifysiikan periaatteet on hyväksyttävä valonnopeuden ja ... - 26. maaliskuuta 2012 -- (2)
Jonakin päivänä planeettamme öljy- ja metallivarat loppuvat ja meidän on etsittävä muita luonnollisia ravintolähteitä sivilisaatiollemme. Ja sitten biologiset organisaatiot voivat tulla avuksemme ... - 11. maaliskuuta 2012 -- (4)
Tämä rakennus on jättiläinen suljettu silmukka aurinkosähköpaneeleista. Sen pituus on noin 11 000 kilometriä ja leveys 400 kilometriä. Tiedemiehet aikoivat rakentaa... - 11. huhtikuuta 2012 -- (0)
Kuten tiedät, amerikkalaiset rullasivat asfaltille Pennsylvanian osavaltion mukaisen alueen. Muutama vuosi sitten emme villeimmissäkään unelmissamme voineet kuvitella, että betonin sijasta voisimme...
