Dosedaj sem naredil hiter uvod o tem, kako naj bi se fizik s pomočjo kvantne mehanike ukvarjal z elektroni. V enačbah, ki obravnavajo elektrone v atomu vodika, nima glavne vloge elektron z njegovimi klasičnimi lastnostmi, kot so hitrost in lokacija. Namesto njega je valovna funkcija del enačbe, ki je potreben za opis fizikalnega sistema. Lokacijo elektrona pa lahko vseeno določimo z meritvijo tako, da dobimo signal ob trku z detektorjem. V tem primeru iz kvantno-mehanskega opisa preidemo na klasični fizikalni opis in lahko poznamo klasično količino kot je položaj elektrona. Klasični svet nam težav nikoli ni povzročal in detektor nam pokaže, kje je bil elektron ob meritvi. Drugo vprašanje pa je, kje se elektron nahaja pred meritvijo, ko fizikalni sistem opišemo z valovno funkcijo in o elektronih ne govorimo. Vse izgleda kot problem o sobi, ki izgine in ne obstaja za čas, ko za sabo zapremo vrata, ter se ponovno pojavi ob naslednjem obisku sobe v ravno takšnem stanju, kot smo jo zapustili. Ali lahko verjamemo, da stvari ne obstajajo, medtem ko jih ne gledamo? Kaj se dogaja pod navidezno mejo atoma je tako uganka in način našega pristopa je odvisen od naše interpretacije kvantne mehanike.
Kopenhagenski pozitivizem
Interpretacija, s katero smo soočeni naravoslovci, pravi preprosto, da to kar opazujemo (trk na detektorju) zagotovo obstaja, saj se tiče neposrednega zaznavanja, kvantnomehanski model pa je matematična abstrakcija, ki da pravilno napoved. Entitete, ki so potrebne za opis teorije (elektroni, valovne funkcije…), nimajo veze z resničnostjo. To pomeni, da bomo morali, ob spoznanju novih dejstev, ki bodo prišla z novimi eksperimenti, dopolniti naše teorije in model atoma. To naj bi bilo pričakovati, saj je pred Schrödingerjevim modelom atoma bilo ovrženih kar nekaj starejših modelov.
Prvi model deljivega atoma je imenovan po J. J. Thomsonu. Ta je ugotovil, da obstajajo negativno nabiti delci manjši od atoma in takoj sestavil model atoma, ki se imenuje »plum pudding« model. Tako ime ima zato, ker naj bi bili elektroni v tem atomu kot delci razporejeni v enakomernem pozitivnem naboju kot suho sadje v tradicionalnem angleškem božičnem narastku. Thomsonov model atoma vsekakor vzpodbudi apetit, je pa zastaral s tem, ko so odkrili še pozitivne delce manjše od atoma in jih poimenovali protoni. Model, ki je upošteval tudi to novo dejstvo se imenuje po njegovem izumitelju Rutherfordu, kličejo pa ga tudi planetarni model, saj elektroni zaradi naboja krožijo okoli jedra kot planeti okoli sonca zaradi gravitacije. Tak atom bi se po izračunih sesedel v miljardinki sekunde in torej spet ne drži.
Zatem je bilo postavljenih še nekaj modelov, a vsi so držali le nekaj let in veliko manj časa kot Schrödingerjev. Ne bi bilo torej smiselno priznat vsaj delno pravilnost Schrödingerjevemu atomu in ga jemat resneje od matematične abstrakcije? Kopenhagenska interpretacija, ki je tu pod vplivom pozitivizma, zavrača kakršnokoli pripenjanje ontologij in odgovarja ne. Prav tako preprosto se izogne vrprašanju ali je elektron delec ali valovanje in odgovarja, da je to odvisno od eksperimenta, torej je enkrat eno, drugič drugo, nikoli pa oboje hkrati. Matematična formulacija za valovanje izključuje obravnavanje kot materije kot delcev in obratno, več kot to pa nam za empirično točnost ni treba vedeti. Če ste mogoče prebrali kaj na temo o komuniciranju kvantnih delcev na daljavo z nadsvetlobno hitrostjo, kar je ob upoštevanju posebne teorije relativnosti prepovedano, naj povem rešitev kopenhagencev za ta problem. Za njih to sploh ni problem, saj mi tega pojava ne moremo izkoriščati za prenos informacije. Razmišljanje kopenhagencev je torej precej suhoparno, ampak ob takem razmišljanju se lahko naravoslovec v miru posveti reševanju svojih kemijskih ali fizikalnih problemov.
Druge interpretacije in Bellov teorem
Nihče pa nam ne preprečuje, da na teorijo kvantne mehanike pripenjamo ontologije, ker se nam zdijo primerne ali vsaj bolj fascinantne. Dokaj poznana je interpretacija z več svetovi, po kateri z vsakim kolapsom valovne funkcije ob meritvi nastane množica vzporednih vesolji z različnim naključnim izidom meritev, mi pa v svojem vesolju vidimo le svojo meritev. Ta interpretacija nam omogoča predstavo, da je valovna funkcija rezultat interakcije elektronov več vesolji in nam slikovito pokaže zakaj govorimo o verjetnosti izida. Še ena dobra plat pa je, da se s ponujenim razpletom ohranja simetrija naših fizikalnih zakonov (kar je že druga zgodba).
Glede interpretacij ponuja najbolj zanimivo razvrstitev interpretacij Bellov teorem in na njemu temelječi poizkusi. Več o teoremu si lahko preberete na tej strani, jaz pa bom vse povedal zelo na kratko. Del Bellovega teorema je Bellova neenakost. To je matematična izjava za množice lastnosti, ki pripadajo določenim predmetom, izpeljana pa je s tremi predpostavkami, ki so:
Glede interpretacij ponuja najbolj zanimivo razvrstitev interpretacij Bellov teorem in na njemu temelječi poizkusi. Več o teoremu si lahko preberete na tej strani, jaz pa bom vse povedal zelo na kratko. Del Bellovega teorema je Bellova neenakost. To je matematična izjava za množice lastnosti, ki pripadajo določenim predmetom, izpeljana pa je s tremi predpostavkami, ki so:
1) Logika velja
2) Obstaja realnost neodvisna od našega opazovanja
3) Lokalnost sveta
Ker je v nekaterih poizkusih Bellova neenakost kršena, lahko sklepamo, da je vsaj ena od predpostavk izpeljave napačna. Za prvo točko ne poznam primera, v primeru, da druga predpostavka ne drži, pa to pomeni, da je obstoj stvari odvisen od našega opazovanja. Če je druga predpostavka res napačna, je nesmiselno govoriti o tem kako v resnici izgleda elektron, medtem ko ga ne merimo, saj lastnosti, kot so spin ali lokacija, takrat sploh nima. Še bolje rečeno elektron v tem času ne obstaja, mi pa medtem uporabljamo teoretične pripomočke za napovedi.
Sedaj ni treba prehitro zaključevati na od opazovalcev odvisen svet, saj bi lahko bila napačna le tretja predpostavka. Lokalnost pomeni, da delec čuti le sosednje delce in da se vse informacije prenašajo s končno hitrostjo. Nelokalnost pa bi pomenila, da se dva delca čutita in hipno vplivata en na drugega, kljub poljubni razdalji, ki ju loči. David Bohm je razvil ontologijo, ki ne vključuje lokalnosti in ohranja od nas neodvisni obstoj. Po njegovem je torej napačna le tretja predpostavka, kar je še bolj zanimivo pri tej interpretaciji pa je, da njegova ontologija ohranja tudi determinizem. Elektroni naj bi po njegovem mnenju obstajali tudi, ko niso opazovani, njihovo obnašanje pa bi vodil kvantni potencial, katerega opis je valovna funkcija. Valovna funkcija je po tej razlagi svoja entiteta ali vsaj rezultat neke entitete, ki po determinističnih načelih vpliva na pot elektrona, kot bi npr. elektrostatski potencial vplival na pot nabitega delca. Tak način konkurenčno drugim interpretacijam pojasnjuje pojave samo, če se lahko valovna funkcija ob spremembi eksperimentalnih pogojev v celoti v hipu spremeni. Ta hipna sprememba krši pravilo končne svetlobne hitrosti in ukinja lokalnost. Poudariti pa je treba, da se pri tem valovna funkcija vseeno spreminja po določenih pravilih in deterministično. Bohmu iz njegove ontologije ni uspelo izpeljati zaključkov, ki bi jih z eksperimenti potrdili, je pa zato to najbolj znana ontologija, ki z vključitvijo nelokalnosti omogoča vsepovezanost in prepletenost vesolja.
Do tukaj sem govoril o različnih interpretacijah, ki sem jih hotel predstaviti, preden se premaknem naprej na problem ali ima kvantna mehanika mogoče kakšno zvezo z zavestjo. Mislim, da se po napisanem vidi, da ima vsaka interpretacija vsaj eno predpostavko, ki se iz vidika klasične fizike zdi utrgana, vidi pa se tudi, da ni enotnega zaključka o tem, kaj naj bi vse skupaj pomenilo.
Sedaj ni treba prehitro zaključevati na od opazovalcev odvisen svet, saj bi lahko bila napačna le tretja predpostavka. Lokalnost pomeni, da delec čuti le sosednje delce in da se vse informacije prenašajo s končno hitrostjo. Nelokalnost pa bi pomenila, da se dva delca čutita in hipno vplivata en na drugega, kljub poljubni razdalji, ki ju loči. David Bohm je razvil ontologijo, ki ne vključuje lokalnosti in ohranja od nas neodvisni obstoj. Po njegovem je torej napačna le tretja predpostavka, kar je še bolj zanimivo pri tej interpretaciji pa je, da njegova ontologija ohranja tudi determinizem. Elektroni naj bi po njegovem mnenju obstajali tudi, ko niso opazovani, njihovo obnašanje pa bi vodil kvantni potencial, katerega opis je valovna funkcija. Valovna funkcija je po tej razlagi svoja entiteta ali vsaj rezultat neke entitete, ki po determinističnih načelih vpliva na pot elektrona, kot bi npr. elektrostatski potencial vplival na pot nabitega delca. Tak način konkurenčno drugim interpretacijam pojasnjuje pojave samo, če se lahko valovna funkcija ob spremembi eksperimentalnih pogojev v celoti v hipu spremeni. Ta hipna sprememba krši pravilo končne svetlobne hitrosti in ukinja lokalnost. Poudariti pa je treba, da se pri tem valovna funkcija vseeno spreminja po določenih pravilih in deterministično. Bohmu iz njegove ontologije ni uspelo izpeljati zaključkov, ki bi jih z eksperimenti potrdili, je pa zato to najbolj znana ontologija, ki z vključitvijo nelokalnosti omogoča vsepovezanost in prepletenost vesolja.
Do tukaj sem govoril o različnih interpretacijah, ki sem jih hotel predstaviti, preden se premaknem naprej na problem ali ima kvantna mehanika mogoče kakšno zvezo z zavestjo. Mislim, da se po napisanem vidi, da ima vsaka interpretacija vsaj eno predpostavko, ki se iz vidika klasične fizike zdi utrgana, vidi pa se tudi, da ni enotnega zaključka o tem, kaj naj bi vse skupaj pomenilo.
se nadaljuje...
Jaka Kragelj
Prispevek odraža mnenje avtorja in ne nujno tudi društva.
No comments:
Post a Comment