Sci-fi je živým potvrdením, že fyzika môže byť zaujímavá nielen pre vedcov, ale aj pre ľudí ďaleko od výskumných laboratórií. Samozrejme, v knihách a filmoch nehovoria o vedeckých teóriách, ale zábavnou a zaujímavou formou podávajú fyzikálne fakty. V tomto prehľade tucet záhad z oblasti fyziky, ktoré vedci ešte musia vysvetliť.
1. Lúče ultravysokých energií
Zemská atmosféra je neustále bombardovaná vysokoenergetickými časticami z vesmíru nazývanými "kozmické žiarenie". Ľuďom síce veľa neškodia, no fyzici sú nimi jednoducho fascinovaní. Pozorovanie kozmického žiarenia naučilo vedcov veľa o astrofyzike a fyzike častíc. Existujú však lúče, ktoré dodnes zostávajú záhadou. V roku 1962, počas experimentu Volcano Ranch, John D. Linsley a Livio Scarsi videli niečo neuveriteľné: kozmické žiarenie s ultra vysokou energiou s energiou viac ako 16 joulov.
Aby sme jasne vysvetlili, koľko to je, môžeme uviesť nasledujúci príklad: jeden joule je množstvo energie potrebnej na zdvihnutie jablka z podlahy na stôl. Všetka táto energia sa však sústredila v častici sto miliónov miliárd krát menšej ako jablko. Fyzici netušia, ako tieto častice získavajú také neuveriteľné množstvo energie.
2. Inflačný model vesmíru
Vesmír je vo veľkých mierkach pozoruhodne jednotný. Takzvaný „kozmologický princíp“ hovorí, že kamkoľvek vo vesmíre pôjdete, všade bude v priemere približne rovnaké množstvo materiálu. Ale teória veľkého tresku naznačuje, že v čase vzniku vesmíru museli byť pozorované veľké rozdiely v hustote. Bol teda oveľa menej homogénny, ako je dnešný vesmír.
Inflačný model naznačuje, že vesmír, ktorý dnes každý vidí, pochádza z malého objemu raného vesmíru. Tento malý objem sa náhle a rýchlo zväčšil, oveľa rýchlejšie, ako sa dnes rozpína vesmír. Zhruba povedané, vyzeralo to, akoby sa balón náhle nafúkol vzduchom. Aj keď to vysvetľuje, prečo je vesmír dnes homogénnejší, fyzici stále nevedia, čo spôsobilo toto „nadúvanie“.
3. Temná energia a temná hmota
Je to úžasný fakt: len asi 5 percent vesmíru tvorí to, čo ľudia vidia. Pred desiatkami rokov si fyzici všimli, že hviezdy na vonkajších okrajoch galaxií obiehajú okolo stredu týchto galaxií rýchlejšie, než sa predpokladalo. Vedci to vysvetlili tým, že v týchto galaxiách mohla byť nejaká neviditeľná „tmavá“ hmota, ktorá spôsobila, že sa hviezdy otáčali rýchlejšie. .
Po objavení sa tejto teórie viedli ďalšie pozorovania rozpínajúceho sa vesmíru fyzikov k záveru, že temnej hmoty musí byť päťkrát viac ako čohokoľvek, čo ľudia môžu vidieť (t. j. bežnej hmoty). Spolu s tým vedci vedia, že expanzia vesmíru sa skutočne zrýchľuje. Je to zvláštne, pretože by sa dalo očakávať, že gravitačná príťažlivosť hmoty („obyčajnej“ a „tmavej“) spomalí rozpínanie Vesmíru.
Na vysvetlenie toho, čo vyrovnáva gravitačnú príťažlivosť hmoty, vedci navrhli existenciu „temnej energie“, ktorá prispieva k rozpínaniu vesmíru. Fyzici veria, že najmenej 70 percent vesmíru je vo forme „temnej energie“. Dodnes však častice tvoriace temnú hmotu a pole tvoriace temnú energiu neboli nikdy priamo pozorované v laboratóriu. V skutočnosti vedci nevedia nič o 95 percentách vesmíru.
4. Srdce čiernej diery
Čierne diery sú jedným z najznámejších objektov v astrofyzike. Možno ich opísať ako oblasti časopriestoru s takými silnými gravitačnými poľami, že zvnútra neprenikne ani svetlo. Odkedy Albert Einstein vo svojej teórii všeobecnej relativity dokázal, že gravitácia „deformuje“ priestor a čas, vedci vedia, že svetlo nie je imúnne voči gravitačným účinkom.
V skutočnosti bola Einsteinova teória preukázaná počas zatmenia Slnka, ktoré preukázalo, že slnečná gravitácia odkláňa svetelné lúče od vzdialených hviezd. Odvtedy bolo pozorovaných veľa čiernych dier, vrátane obrovskej v strede našej galaxie. Ale záhada toho, čo sa deje v srdci čiernej diery, stále nie je vyriešená.
Niektorí fyzici sa domnievajú, že môže existovať „singularita“ – bod nekonečnej hustoty s určitou hmotnosťou sústredenou v nekonečne malom priestore. Stále sa však vedú diskusie o tom, či sa informácie nestrácajú vo vnútri čiernych dier, ktoré pohlcujú všetky častice a žiarenie. Hoci Hawkingovo žiarenie pochádza z čiernych dier, neobsahuje žiadne dodatočné informácie o tom, čo sa deje vo vnútri čiernej diery.
5. Inteligentný život mimo Zeme
Ľudia po stáročia snívajú o mimozemšťanoch, keď sa pozerajú na nočnú oblohu a rozmýšľajú, či by tam niekto mohol žiť. V posledných desaťročiach sa však našlo množstvo dôkazov, že to nie je len sen. Pre začiatok, exoplanéty sú oveľa bežnejšie, ako sa pôvodne predpokladalo, pričom väčšina hviezd má planetárne systémy. Je tiež známe, že časový odstup medzi objavením sa života na Zemi a vznikom inteligentného života je veľmi malý. Znamená to, že život musel vzniknúť na mnohých miestach?
Ak je to tak, potom musíme odpovedať na slávny „Fermiho paradox“: prečo ľudia ešte nenadviazali kontakt s mimozemšťanmi. Možno je život bežný, ale inteligentný život je zriedkavý. Možno sa po čase všetky civilizácie rozhodnú nekomunikovať s inými formami života. Možno sa len nechcú rozprávať s ľuďmi. Alebo, napodiv, možno ukazuje, že mnohé mimozemské civilizácie sa zničia krátko po tom, ako sa stanú technologicky dostatočne vyspelými na to, aby mohli komunikovať.
6. Cestujte rýchlejšie ako je rýchlosť svetla
Odkedy Einstein svojou špeciálnou teóriou relativity zmenil celú fyziku, fyzici boli presvedčení, že nič nemôže cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla. V skutočnosti teória relativity hovorí, že keď sa akákoľvek hmota pohybuje rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, vyžaduje si to obrovskú energiu. Vidno to na kozmickom žiarení s ultravysokou energiou, o ktorom sme sa zmienili vyššie. Majú mimoriadnu energiu v pomere k svojej veľkosti, ale ani necestujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Ťažké obmedzenie rýchlosti svetla môže tiež vysvetliť, prečo je komunikácia s mimozemskými civilizáciami nepravdepodobná. Ak sú tiež obmedzené týmto faktorom, signály môžu pokračovať tisíce rokov. V roku 2011 experiment OPERA priniesol predbežné výsledky naznačujúce, že neutrína sa pohybujú rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Neskôr si vedci všimli nejaké chyby v ich experimentálnom nastavení, čo potvrdilo, že výsledky boli nesprávne. V každom prípade, ak existuje nejaký spôsob, ako preniesť hmotu alebo informácie rýchlejšie ako rýchlosť svetla, nepochybne to zmení svet.
7. Spôsob opisu turbulencie
Ak sa vrátite z vesmíru na Zem, ukáže sa, že v každodennom živote je veľa vecí, ktoré je ťažké pochopiť. Pre najjednoduchší príklad nemusíte chodiť ďaleko – kohútik si otvoríte doma. Ak ho úplne neotvoríte, voda potečie hladko (hovorí sa tomu „laminárne prúdenie“). Ale ak úplne otvoríte kohútik, voda začne tiecť nerovnomerne a striekať. Toto je najjednoduchší príklad turbulencie. V mnohých ohľadoch je turbulencia vo fyzike stále nevyriešeným problémom.
8. Supravodič izbovej teploty
Supravodiče sú jedným z najdôležitejších zariadení a technológií, aké kedy ľudia objavili. Ide o špeciálny druh materiálu. Keď teplota klesne dostatočne nízko, elektrický odpor materiálu klesne na nulu. To znamená, že po privedení malého napätia na supravodič je možné získať obrovský prúd.
Elektrický prúd môže teoreticky tiecť v supravodivom drôte miliardy rokov bez straty, pretože jeho prúdu nekladie žiadny odpor. V moderných bežných drôtoch a kábloch sa značná časť výkonu stráca v dôsledku odporu. Supravodiče by mohli znížiť tieto straty na nulu.
Je tu jeden problém – aj vysokoteplotné supravodiče sa musia ochladiť na mínus 140 stupňov Celzia, kým začnú prejavovať svoje pozoruhodné vlastnosti. Chladenie na takéto nízke teploty zvyčajne vyžaduje tekutý dusík alebo niečo podobné. Preto je to veľmi drahé. Mnoho fyzikov na celom svete sa snaží vytvoriť supravodič, ktorý by mohol fungovať pri izbovej teplote.
9. Hmota a antihmota
V istom zmysle ľudia stále nevedia, prečo niečo vôbec existuje. Pre každú časticu existuje „opačná“ častica, nazývaná antičastica. Takže pre elektróny existujú pozitróny, pre protóny sú antiprotóny atď. Ak sa častica niekedy dotkne svojej antičastice, anihilujú a premenia sa na žiarenie.
Nie je prekvapením, že antihmota je neuveriteľne vzácna, pretože všetko by jednoducho zaniklo. Niekedy sa vyskytuje v kozmickom žiarení. Vedci môžu tiež vyrobiť antihmotu v urýchľovačoch častíc, ale to bude stáť bilióny dolárov za gram. Vo všeobecnosti je však antihmota (podľa vedcov) v našom Vesmíre neskutočne vzácna. Prečo je to tak, je skutočnou záhadou.
Len nikto nevie, prečo nášmu Vesmíru dominuje hmota a nie antihmota, pretože každý známy proces, ktorý mení energiu (žiarenie) na hmotu, produkuje rovnaké množstvo hmoty a antihmoty. Wilderova teória naznačuje, že by mohli existovať celé oblasti vesmíru, v ktorých dominuje antihmota.
10. Jednotná teória
V 20. storočí boli vyvinuté dve veľké teórie, ktoré veľa vysvetľovali vo fyzike. Jednou z nich bola kvantová mechanika, ktorá podrobne popisovala, ako sa správajú a interagujú drobné subatomárne častice. Kvantová mechanika a štandardný model časticovej fyziky vysvetlili tri zo štyroch fyzikálnych síl v prírode: elektromagnetizmus a silné a slabé jadrové sily.
Ďalšou veľkou teóriou bola Einsteinova všeobecná teória relativity, ktorá vysvetľuje gravitáciu. Vo všeobecnej teórii relativity sa gravitácia vyskytuje, keď prítomnosť hmoty ohýba priestor a čas, čo spôsobuje, že častice sledujú určité zakrivené dráhy. To by mohlo vysvetliť veci, ktoré sa dejú v najväčšom meradle - vznik galaxií a hviezd. Je tu len jeden problém. Tieto dve teórie sú nezlučiteľné.
Vedci nedokážu vysvetliť gravitáciu spôsobmi, ktoré dávajú zmysel v kvantovej mechanike, a všeobecná relativita nezahŕňa účinky kvantovej mechaniky. Pokiaľ možno povedať, obe teórie sú správne. Ale zdá sa, že spolu nefungujú. Fyzici už dlho pracujú na nejakom riešení, ktoré dokáže zosúladiť tieto dve teórie. Volá sa Veľká zjednotená teória alebo jednoducho Teória všetkého. Pátranie pokračuje.
A v pokračovaní témy sme zhromaždili ďalšie.
Teraz to najzaujímavejšie. Obraz sa stal komplikovanejším, ale nemali by ste sa báť. Všetko je veľmi jednoduché. Položme pred detektory (3) a (4) priesvitné zrkadlo, aké sme použili na začiatku. Ďalej pošlime odrazené fotóny do iného priesvitného zrkadla (na obrázku naľavo od zdroja). "Nečinný" fotón s pravdepodobnosťou 50% prejde cez polopriepustné zrkadlo a dostane sa do detektora (3) alebo (4) ALEBO, s pravdepodobnosťou 50% sa odrazí od PS, zasiahne PS vľavo a zasiahne s 50 % pravdepodobnosťou do (5) alebo z 50 % na 6). Ak „nečinný“ fotón narazí na detektor (3) alebo (4), vieme, že pôvodný fotón prešiel zhora alebo zdola. Naopak, ak by sa aktivoval detektor (5) alebo (6), nevieme, ktorou cestou sa fotón vydal. Ešte raz zdôrazňujem – pri spustení (3) alebo (4) máme informáciu, akou cestou sa fotón vydal. Keď sa spustí (5) alebo (6), takéto informácie neexistujú. Touto zložitou schémou vymažeme informáciu o tom, ktorou cestou sa fotón uberal.
Teraz najúžasnejší výsledok – ak na obrazovke vyberiete tie body, ktoré sa objavili pri spustení (3) alebo (4), nedochádza k žiadnemu rušeniu, ale ak vyberiete podmnožinu bodov, ktoré sa získali pri (5) alebo (6). ), potom vytvárajú interferenčný vzor ! Na chvíľu sa zamyslite nad týmto výsledkom: fotónu je jedno, či sa ho počas experimentu „dotkneme“ alebo nie. Pomocou down konvertorov získame potenciálne informácie o tom, kam sa fotón dostal. Ak sa to zrealizuje (detektory (3) alebo (4)) - obraz sa zničí, ale ak ho opatrne vymažeme (detektory (5) alebo (6) fungujú), tak sa nám podarí presvedčiť fotón, aby rušil. Rušenie sa ničí nie mechanickým vniknutím do experimentu, ale prítomnosťou informácií. Vedci tvrdia, že takéto experimenty sa robili nielen s fotónmi, elektrónmi, ale aj s celými molekulami.
Zákony nášho sveta sú veľmi zvláštne a niekedy kontraintuitívne. Na makroskopickej úrovni sa môže zdať, že viac-menej je všetko jasné. Ale akonáhle sa začneme zaoberať elementárnymi časticami, celá naša každodenná skúsenosť sa zrúti. A to, čo nás čaká na Planckovej stupnici, si nevedia predstaviť ani tí najodvážnejší spisovatelia sci-fi.
Je známe, že Albert Einstein až do konca svojho života neakceptoval kvantovú mechaniku s jej neurčitosťou, stochastickými, náhodnými a chaotickými procesmi. Toto odmietnutie bolo vyjadrené Einsteinovými vetami: „Boh nehrá kocky“ a „Existuje Mesiac len preto, že sa naň pozerá myš?“. Tie. Einstein stál na jasnej pozícii determinizmu fyzikálnych, vrátane kvantových procesov. Einstein jednoducho veril, že fyzici ešte neobjavili tie konštanty, ktoré ovplyvňujú správanie kvantových častíc.
P.S.: Tento experiment nebol vôbec mentálny, ale celkom reálny a bol uskutočnený, hoci vyzeral zložitejšie a komplikovanejšie, ako som tu opísal.
Nikto na svete nerozumie kvantovej mechanike – to je hlavná vec, ktorú o nej potrebujete vedieť. Áno, mnohí fyzici sa naučili využívať jeho zákony a dokonca predpovedať javy pomocou kvantových výpočtov. Stále však nie je jasné, prečo prítomnosť pozorovateľa určuje osud systému a núti ho k voľbe v prospech jedného štátu. „Teórie a prax“ vybrali príklady experimentov, ktorých výsledok nevyhnutne ovplyvňuje pozorovateľ, a pokúsili sa zistiť, čo urobí kvantová mechanika s takýmto zasahovaním vedomia do materiálnej reality.
Shroedingerova mačka
Dnes existuje veľa interpretácií kvantovej mechaniky, z ktorých najpopulárnejšia zostáva kodanská. Jeho hlavné ustanovenia sformulovali v 20. rokoch 20. storočia Niels Bohr a Werner Heisenberg. A ústredným pojmom kodanskej interpretácie bola vlnová funkcia – matematická funkcia, ktorá obsahuje informácie o všetkých možných stavoch kvantového systému, v ktorom súčasne sídli.
Podľa kodanskej interpretácie iba pozorovanie môže presne určiť stav systému, odlíšiť ho od zvyšku (vlnová funkcia len pomáha matematicky vypočítať pravdepodobnosť detekcie systému v konkrétnom stave). Môžeme povedať, že po pozorovaní sa kvantový systém stáva klasickým: okamžite prestane koexistovať v mnohých štátoch naraz v prospech jedného z nich.
Tento prístup mal vždy odporcov (spomeňte si napríklad na „Boh nehrá kocky“ od Alberta Einsteina), no presnosť výpočtov a predpovedí si vyžiadala svoju daň. V posledných rokoch je však stále menej zástancov kodanskej interpretácie a v neposlednom rade je to veľmi záhadný okamžitý kolaps vlnovej funkcie počas merania. Slávny myšlienkový experiment Erwina Schrödingera s úbohou mačkou bol navrhnutý tak, aby ukázal absurdnosť tohto javu.
Pripomeňme si teda obsah experimentu. Živá mačka, ampulka s jedom a nejaký mechanizmus, ktorý dokáže spustiť jed v náhodnom okamihu, sú umiestnené v čiernej skrinke. Napríklad jeden rádioaktívny atóm, ktorého rozpad rozbije ampulku. Presný čas rozpadu atómu nie je známy. Známy je iba polčas rozpadu: čas, počas ktorého dôjde k rozpadu s pravdepodobnosťou 50 %.
Ukazuje sa, že pre vonkajšieho pozorovateľa existuje mačka vo vnútri škatuľky naraz v dvoch stavoch: buď je živá, ak všetko ide dobre, alebo mŕtva, ak došlo k rozkladu a ampulka sa rozbila. Oba tieto stavy sú opísané vlnovou funkciou mačky, ktorá sa časom mení: čím ďalej, tým je pravdepodobnejšie, že rádioaktívny rozpad už nastal. Ale akonáhle je krabica otvorená, vlnová funkcia sa zrúti a okamžite vidíme výsledok experimentu s flayerom.
Ukáže sa, že kým pozorovateľ škatuľu neotvorí, bude mačka navždy balansovať na hranici medzi životom a smrťou a len činnosť pozorovateľa určí jeho osud. Toto je absurdita, na ktorú poukázal Schrödinger.
Elektrónová difrakcia
Podľa prieskumu popredných fyzikov, ktorý uskutočnil The New York Times, sa experiment s elektrónovou difrakciou, ktorý v roku 1961 uskutočnil Klaus Jenson, stal jedným z najkrajších v histórii vedy. Čo je jej podstatou?
Existuje zdroj, ktorý vyžaruje prúd elektrónov smerom k plátno-fotografickej doske. A týmto elektrónom stojí v ceste prekážka – medená platňa s dvoma štrbinami. Aký obraz na obrazovke možno očakávať, ak elektróny predstavíme len ako malé nabité guľôčky? Dva osvetlené pásy oproti štrbinám.
V skutočnosti sa na obrazovke objaví oveľa zložitejší vzor striedajúcich sa čiernych a bielych pruhov. Faktom je, že pri prechode cez štrbiny sa elektróny začnú správať nie ako častice, ale ako vlny (rovnako ako fotóny, častice svetla, môžu byť súčasne vlnami). Potom tieto vlny interagujú v priestore, niekde slabnú a niekde sa navzájom posilňujú a v dôsledku toho sa na obrazovke objaví zložitý obraz striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov.
V tomto prípade sa výsledok experimentu nemení a ak elektróny prechádzajú štrbinou nie v súvislom prúde, ale jeden po druhom, aj jedna častica môže byť súčasne vlnou. Dokonca aj jeden elektrón môže prechádzať cez dve štrbiny súčasne (a to je ďalšie z dôležitých ustanovení kodanskej interpretácie kvantovej mechaniky – objekty môžu súčasne vykazovať ako svoje „zvyčajné“ materiálové vlastnosti, tak aj exotické vlnové vlastnosti).
Ale čo pozorovateľ? Napriek tomu, že s ním sa už aj tak komplikovaný príbeh ešte viac skomplikoval. Keď sa pri takýchto experimentoch fyzici pokúsili pomocou prístrojov, cez ktoré štrbinou skutočne prechádza elektrón, opraviť, obraz na obrazovke sa dramaticky zmenil a stal sa „klasickým“: dve osvetlené oblasti oproti štrbinám a žiadne striedajúce sa pruhy.
Zdá sa, že elektróny nechceli pod pohľadom pozorovateľa ukázať svoju vlnovú povahu. Prispôsobený svojej inštinktívnej túžbe vidieť jednoduchý a zrozumiteľný obraz. Mystik? Existuje oveľa jednoduchšie vysvetlenie: žiadne pozorovanie systému nemožno vykonať bez fyzického dopadu naň. Ale k tomu sa vrátime trochu neskôr.
Vyhrievaný fullerén
Experimenty s difrakciou častíc sa robili nielen na elektrónoch, ale aj na oveľa väčších objektoch. Napríklad fullerény sú veľké uzavreté molekuly zložené z desiatok atómov uhlíka (napríklad fullerén so šesťdesiatimi atómami uhlíka je tvarom veľmi podobný futbalovej lopte: dutá guľa zošitá z päť- a šesťuholníkov).
Nedávno sa skupina na Viedenskej univerzite pod vedením profesora Zeilingera pokúsila zaviesť do takýchto experimentov prvok pozorovania. Aby to urobili, ožiarili pohybujúce sa molekuly fullerénu laserovým lúčom. Potom, zahriate vonkajším vplyvom, začali molekuly žiariť a tak nevyhnutne odhalili svoje miesto v priestore pre pozorovateľa.
Spolu s touto inováciou sa zmenilo aj správanie molekúl. Pred začiatkom totálneho sledovania fullerény celkom úspešne obchádzali prekážky (vykazovali vlnové vlastnosti), ako elektróny z predchádzajúceho príkladu prechádzajúce cez nepriehľadné sito. Ale neskôr, s príchodom pozorovateľa, sa fullerény upokojili a začali sa správať ako častice hmoty úplne dodržiavajúce zákony.
Chladiaci rozmer
Jedným z najznámejších zákonov kvantového sveta je Heisenbergov princíp neurčitosti: nie je možné súčasne určiť polohu a rýchlosť kvantového objektu. Čím presnejšie zmeriame hybnosť častice, tým presnejšie dokážeme zmerať jej polohu. Ale fungovanie kvantových zákonov, fungujúcich na úrovni drobných častíc, je v našom svete veľkých makro objektov zvyčajne nepostrehnuteľné.
O to cennejšie sú preto nedávne experimenty skupiny profesora Schwaba z USA, v ktorých sa kvantové efekty nepreukázali na úrovni rovnakých elektrónov alebo molekúl fullerénu (ich charakteristický priemer je asi 1 nm), ale na o niečo hmatateľnejší predmet - maličký hliníkový pásik.
Tento pás bol pripevnený na oboch stranách, takže jeho stred bol v zavesenom stave a mohol vibrovať pod vonkajším vplyvom. Okrem toho sa vedľa pásika nachádzalo zariadenie schopné zaznamenávať jeho polohu s vysokou presnosťou.
Výsledkom bolo, že experimentátori objavili dva zaujímavé efekty. Po prvé, akékoľvek meranie polohy objektu, pozorovanie pruhu neprešlo bez stopy - po každom meraní sa poloha pruhu zmenila. Zhruba povedané, experimentátori určili súradnice pásu s veľkou presnosťou a tým podľa Heisenbergovho princípu zmenili jeho rýchlosť a tým aj následnú polohu.
Po druhé, čo je už celkom neočakávané, niektoré merania tiež viedli k ochladeniu pásu. Ukazuje sa, že fyzikálne vlastnosti predmetov môže pozorovateľ meniť len svojou prítomnosťou. Znie to úplne neuveriteľne, ale ku cti fyzikov, povedzme, že neboli bezradní – skupina profesora Schwaba teraz premýšľa, ako objavený efekt aplikovať na chladenie elektronických obvodov.
Mrazivé častice
Ako viete, nestabilné rádioaktívne častice sa vo svete rozpadajú nielen kvôli pokusom na mačkách, ale aj celkom sami. Okrem toho sa každá častica vyznačuje priemernou životnosťou, ktorá sa môže pod pohľadom pozorovateľa predĺžiť.
Tento kvantový efekt bol prvýkrát predpovedaný už v 60. rokoch minulého storočia a jeho vynikajúce experimentálne potvrdenie sa objavilo v článku publikovanom v roku 2006 skupinou laureáta Nobelovej ceny za fyziku Wolfganga Ketterleho z Massachusettského technologického inštitútu.
V tejto práci sme študovali rozpad nestabilných excitovaných atómov rubídia (rozpad na atómy rubídia v základnom stave a fotóny). Hneď po príprave sústavy sa začalo pozorovať budenie atómov – boli osvetlené laserovým lúčom. V tomto prípade sa pozorovanie uskutočnilo v dvoch režimoch: nepretržitý (malé svetelné impulzy sú neustále privádzané do systému) a pulzný (systém je z času na čas ožiarený silnejšími impulzmi).
Získané výsledky sú vo výbornej zhode s teoretickými predpoveďami. Vonkajšie svetelné efekty skutočne spomaľujú rozpad častíc, akoby ich vracali do pôvodného, ďaleko od rozpadového stavu. V tomto prípade sa veľkosť účinku pre dva študované režimy tiež zhoduje s predpoveďami. A maximálna životnosť nestabilných excitovaných atómov rubídia sa predĺžila 30-krát.
Kvantová mechanika a vedomie
Elektróny a fullerény prestávajú vykazovať svoje vlnové vlastnosti, hliníkové platne sa ochladzujú a nestabilné častice pri svojom rozpade zamŕzajú: pod všemocným pohľadom pozorovateľa sa svet mení. Čo nie je dôkazom zapojenia našej mysle do práce okolitého sveta? Takže možno mali Carl Jung a Wolfgang Pauli (rakúsky fyzik, laureát Nobelovej ceny, jeden z priekopníkov kvantovej mechaniky) pravdu, keď povedali, že zákony fyziky a vedomia by sa mali považovať za komplementárne?
Ale k uznaniu povinnosti zostáva už len jeden krok: celý svet okolo je podstatou našej mysle. Strašidelné? („Naozaj si myslíš, že Mesiac existuje, len keď sa naň pozrieš?“ Einstein komentoval princípy kvantovej mechaniky). Potom sa skúsme opäť obrátiť na fyzikov. Navyše ich v posledných rokoch čoraz menej teší kodanská interpretácia kvantovej mechaniky s jej záhadným kolapsom funkčnej vlny, ktorú nahrádza iný, celkom prízemný a spoľahlivý pojem – dekoherencia.
Tu je vec - pri všetkých popísaných experimentoch s pozorovaním experimentátori nevyhnutne ovplyvňovali systém. Osvetľovalo sa laserom, inštalovali sa meracie prístroje. A toto je všeobecný, veľmi dôležitý princíp: nemôžete pozorovať systém, merať jeho vlastnosti bez interakcie s ním. A tam, kde dochádza k interakcii, dochádza k zmene vlastností. Najmä keď kolos kvantových objektov interaguje s malým kvantovým systémom. Takže večná, budhistická neutralita pozorovateľa je nemožná.
To je presne to, čo vysvetľuje pojem „dekoherencia“ – nezvratný proces z pohľadu narušenia kvantových vlastností systému pri jeho interakcii s iným, veľkým systémom. Počas takejto interakcie kvantový systém stráca svoje pôvodné črty a stáva sa klasickým, „poslúchne“ veľký systém. To vysvetľuje paradox so Schrödingerovou mačkou: mačka je taký veľký systém, že sa jednoducho nedá izolovať od sveta. Samotné nastavenie myšlienkového experimentu nie je úplne správne.
V každom prípade, v porovnaní s realitou ako aktom tvorby vedomia, dekoherencia vyznieva oveľa pokojnejšie. Možno až príliš pokojný. Koniec koncov, s týmto prístupom sa celý klasický svet stáva jedným veľkým dekoherentným efektom. A podľa autorov jednej z najserióznejších kníh v tejto oblasti z takýchto prístupov logicky vyplývajú aj výroky ako „na svete nie sú častice“ či „na fundamentálnej úrovni neexistuje čas“.
Kreatívny pozorovateľ alebo všemocná dekoherencia? Musíte si vybrať medzi dvoma zlami. Ale pamätajte - vedci sú teraz stále viac presvedčení, že veľmi notoricky známe kvantové efekty sú základom našich myšlienkových procesov. Kde teda končí pozorovanie a začína realita – vybrať si musí každý z nás.
3) A keďže ide o kvantovú teóriu, časopriestor toto všetko dokáže súčasne. Môže súčasne vytvoriť detský vesmír a nie ho vytvoriť.
Tkanina časopriestoru nemusí byť vôbec tkaninou, ale môže pozostávať z diskrétnych komponentov, ktoré sa nám zdajú byť súvislou tkaninou iba vo veľkých makroskopických mierkach.
4) Vo väčšine prístupov ku kvantovej gravitácii nie je časopriestor základný, ale pozostáva z niečoho iného. Môžu to byť struny, slučky, qubity alebo varianty časopriestorových „atómov“, ktoré sa objavujú v prístupoch kondenzovanej hmoty. Samostatné komponenty je možné rozobrať len s použitím najvyšších energií, ktoré ďaleko presahujú tie, ktoré máme na Zemi k dispozícii.
5) V niektorých prístupoch s kondenzovanou hmotou má časopriestor vlastnosti tuhého alebo kvapalného telesa, to znamená, že môže byť elastický alebo viskózny. Ak je to naozaj tak, pozorovateľné dôsledky sú nevyhnutné. Fyzici v súčasnosti hľadajú stopy podobných účinkov v cestujúcich časticiach, teda vo svetle alebo elektrónoch, ktoré sa k nám dostanú z hlbokého vesmíru.
Schematická animácia súvislého lúča svetla rozptýleného hranolom. V niektorých prístupoch ku kvantovej gravitácii môže priestor pôsobiť ako disperzné médium pre rôzne vlnové dĺžky svetla.
6) Časopriestor môže ovplyvniť, ako ním prechádza svetlo. Nemusí byť úplne priehľadné alebo sa svetlo rôznych farieb môže šíriť rôznymi rýchlosťami. Ak kvantový časopriestor ovplyvňuje šírenie svetla, aj to by sa dalo pozorovať v budúcich experimentoch.
7) Kolísanie časopriestoru môže zničiť schopnosť svetla zo vzdialených zdrojov vytvárať interferenčné obrazce. Tento efekt sa hľadal a nenašiel, aspoň vo viditeľnom rozsahu.
Svetlo prechádzajúce cez dve hrubé štrbiny (hore), dve tenké štrbiny (v strede) alebo jednu silnú štrbinu (dole) vykazuje interferenciu, čo naznačuje jeho vlnovú povahu. Ale v kvantovej gravitácii nemusia byť niektoré očakávané interferenčné vlastnosti možné.
8) V oblastiach so silným zakrivením sa čas môže zmeniť na priestor. To sa môže stať napríklad vo vnútri čiernych dier alebo počas veľkého tresku. V tomto prípade sa nám známy časopriestor s tromi priestorovými a rozmermi a jedným časom môže zmeniť na štvorrozmerný „euklidovský“ priestor.
Prepojenie dvoch rôznych miest v priestore alebo čase cez červiu dieru zostáva len teoretickou myšlienkou, no môže byť nielen zaujímavé, ale v kvantovej gravitácii aj nevyhnutné.
Časopriestor môže byť nelokálne spojený s malými červími dierami, ktoré prenikajú celým vesmírom. Takéto nemiestne spojenia musia existovať vo všetkých prístupoch, ktorých základná štruktúra nie je geometrická, ako je napríklad graf alebo sieť. Je to spôsobené tým, že v takýchto prípadoch nebude pojem „blízkosť“ zásadný, ale implikovaný a nedokonalý, takže vzdialené oblasti môžu byť náhodne spojené.
10) Možno, aby sme zjednotili kvantovú teóriu s gravitáciou, musíme aktualizovať nie gravitáciu, ale samotnú kvantovú teóriu. Ak áno, následky budú ďalekosiahle. Keďže kvantová teória je jadrom všetkých elektronických zariadení, jej revízia otvorí úplne nové možnosti.
Hoci sa kvantová gravitácia často považuje za čisto teoretickú myšlienku, existuje veľa možností na experimentálne overenie. Všetci cestujeme cez časopriestor každý deň. Jeho pochopenie môže zmeniť náš život.
Záhady kvantovej fyziky možno pripísať aj množstvu neznámych artefaktov modernej štruktúry sveta. Konštrukciu mechanického obrazu okolitého priestoru nemožno dokončiť, spoliehajúc sa len na tradičné poznatky klasickej teórie fyziky. Doplnok klasickej fyzikálnej teórie, názory na organizáciu štruktúry fyzikálnej reality, je silne ovplyvnený teóriou elektromagnetických polí, ktorú prvýkrát skonštruoval Maxwell. Dá sa tvrdiť, že práve vtedy bola položená fáza kvantového prístupu v modernej fyzike.
Súviselo to s novou etapou formovania kvantovej teórie a so šokujúcou vedeckou komunitou aj s výskumnými prácami slávneho experimentálneho fyzika Maxa Plancka. Hlavný impulz pre rozvoj kvantovej fyziky začal a bol poznačený pokusom vyriešiť vedecký problém, štúdium elektromagnetických vĺn.
Klasický koncept fyzikálnej podstaty látky neumožňoval zdôvodniť zmenu mnohých iných vlastností ako mechanických. Skúmaná látka sa neriadila klasickými fyzikálnymi zákonmi, čo predstavovalo nové problémy pre výskum a vynútilo si vedecký výskum.
Planck sa odklonil od klasickej interpretácie vedeckej teórie, ktorá plne neodrážala realitu prebiehajúcich javov, ponúkal vlastnú víziu a predpokladal diskrétnosť vyžarovania energie atómami hmoty. Tento prístup umožnil vyriešiť mnohé z bodov zastavenia klasickej teórie elektromagnetizmu. Kontinuita procesov, ktoré sú základom reprezentácie fyzikálnych zákonov, neumožňovala robiť výpočty, nielen s kompromisnou chybou, ale niekedy neodrážala podstatu javov.
Planckova kvantová teória, podľa ktorej sa uvádza, že atómy sú schopné vyžarovať elektromagnetickú energiu iba v oddelených častiach, a nie, ako už bolo uvedené, o kontinuite procesu, umožnila posunúť vývoj fyziky ako kvantovej teórie. procesov. Korpuskulárna teória tvrdila, že energia je neustále vyžarovaná, a to bol hlavný rozpor.
Záhady kvantovej fyziky však zostali nepreskúmané až do úplných základov. Ide len o to, že Planckove experimenty umožnili rozvinúť predstavu o zložitosti štruktúry okolitého sveta a organizácie hmoty, ale neumožnili nám konečne bodovať „a“. Tento fakt neúplnosti umožňuje aj teraz pokračovať v práci na rozvoji teoretického kvantového výskumu vedcov našej doby.
Ďalšie články na túto tému:
- 9. apríla 2012 -- (0)
Einstein, ktorý sa pokúšal porovnať nezhody v základoch klasickej mechaniky, dospel k záveru, že je potrebné schváliť ďalšie princípy kvantovej fyziky založené na nemennosti rýchlosti svetla a ... - 26. marca 2012 -- (2)
Raz sa zásoby ropy a kovov na našej planéte vyčerpajú a budeme musieť hľadať iné prirodzené zdroje potravy pre našu civilizáciu. A potom nám biologické organizácie môžu prísť na pomoc... - 11. marca 2012 -- (4)
Táto budova je obrovská uzavretá slučka fotovoltaických panelov. Jeho dĺžka je približne 11 000 kilometrov a šírka 400 kilometrov. Vedci sa chystali postaviť... - 11. apríla 2012 -- (0)
Ako viete, Američania zvalili do asfaltu územie zodpovedajúce štátu Pensylvánia. Pred pár rokmi sme si ani v najdivokejších snoch nevedeli predstaviť, že namiesto betónu by sme mohli...
