Квантна механика вам омогућава да видите, осетите и додирнете честице (2. део)

2 КСНУМКС. КСНУМКС. КСНУМКС
6. међународна конференција егзополитике, историје и духовности

Вратимо се ономе што је квантна механика и како можемо да је користимо.

Невидљиви призор

Ок, осетиш ли кафу, скоро си будан. Ваше очи су спремне за свакодневну рутину, трепћући и пропуштајући мало светлости. Док размишљате о томе, честице светлости које улазе у ваше лице и очи створиле су се пре милион година у центру сунца, у време када су наши преци почели да користе ватру. Сунце не би ни послало честице зване фотони да нису потребне за исти феномен који би могао бити основа нашег чула мириса, квантног тунелирања.

Око 150 милиона километара раздваја Сунце и Земљу, фотонима је потребно само осам минута да пређу ову удаљеност. Међутим, већи део њиховог путовања одвија се унутар сунца, где типични фотон проводи милион година покушавајући да побегне. Материја је тако ускладиштена у средини наше звезде, где је водоник око 13 пута гушћи од олова, а фотони могу да путују бесконачно мали делић секунде пре него што их апсорбују јони водоника, који затим испаљују фотон за путовање са Сунца итд. После отприлике милијарду таквих интеракција коначно се појављује фотон на површини Сунца које овде сја милионима година.

Квантна механика (© Јаи Смитх)

Фотони никада не би настали, а Сунце не би сијало без квантног тунелирања. Сунце и све остале звезде стварају светлост нуклеарном фузијом, разбијају јоне водоника и стварају хелијум у процесу који ослобађа енергију. Сунце сваке секунде претвара око 4 милиона тона материје у енергију. Само јони водоника, попут појединачних протона, имају позитивне електричне наелектрисања и међусобно се одбијају. Па како се могу спојити једни с другима?
У квантном тунелирању, таласна природа протона понекад им омогућава да се лако преклапају попут таласа који се спајају на површини језера. Чињеница да се они преклапају приближавају протонске таласе довољно близу да друга сила, попут јаке нуклеарне силе која делује само на врло кратким удаљеностима, може да превазиђе електрично одбијање честица. Тада се протони распадају да би ослободили један фотон.

Наше очи су веома осетљиве на фотоне

Наше очи су еволуирале да постану врло осетљиве на ове фотоне. Неки недавни експерименти показали су да можемо чак и да откријемо појединачне фотоне, што отвара занимљиву могућност: да ли би људи могли да открију неке посебне случајеве квантне механике? Да ли то значи да је особа, попут фотона или електрона или несрећне Сцхродингерове мачке, истовремено мртва и жива ако је директно укључена у квантни свет? Како би могло изгледати такво искуство?

Људско око

„Не знамо јер нико није покушао“, рекла је Ребецца Холмес, физичар из Националне лабораторије Лос Аламос у Новом Мексику. Пре три године, када је дипломирала на Универзитету Иллиноис у Урбане-Цхампаигн-у, Холмес је био део тима који је водио Паул Квиат, који је показао да људи могу да открију кратке блицеве ​​светлости који се састоје од три фотона. 2016. године открила је да је конкурентска група научника, коју је предводио физичар Алипаша Вазири са Универзитета Рокфелер у Њујорку, открила да људи заиста виде појединачне фотоне. Међутим, видимо да искуство не мора бити прецизно описано. Вазири, сама је покушала да види како фотони светлуцају, рекла је магазину Натуре, „То није попут виђења светлости. То је готово осећај на прагу фантазије “.

Квантна механика - експерименти

У блиској будућности Холмес и Вазири очекују да тестирају шта људи опажају када се фотони убаце у посебна квантна стања. На пример, физичари могу повезати један фотон са оним што називају суперпозицијом, где фотони истовремено постоје на два различита места. Холмес и њене колеге су осмислили експеримент који укључује два сценарија како би тестирали да ли људи могу директно да примете суперпозицију фотона. У првом сценарију, један фотон би дошао до леве или десне стране људске мрежњаче, а приметио би на којој страни мрежњаче осети фотон. У другом сценарију, фотон би био смештен у квантну суперпозицију која би му омогућила да чини наизглед немогуће - да истовремено лети на десну и леву страну мрежњаче.

Да ли би неко детектовао светлост са обе стране мрежњаче? Или би интеракција фотона у оку довела до тога да се суперпозиција 'уруши'? Ако јесте, да ли би се то дешавало често и на десној и на левој страни, као што теорија сугерише?

Ребецца Холмес каже:

„На основу стандардне квантне механике, фотон у суперпозицији вероватно не би изгледао другачије од заиста насумично преношеног фотона лево или десно“.

Ако се испостави да су неки учесници експеримента у ствари истовремено опазили фотон на оба места, да ли то значи да је и сама особа била у квантном стању?

Ребецца Холмес додаје:

„Могло би се рећи да је посматрач био сам у квантној суперпозицији за неко занемарљиво кратко време, али још нико то није покушао, тако да заиста не знамо. Због тога радите такав експеримент “.

Перципираш на свој начин

Вратимо се сада шољи кафе. Шољу осећате као чврст комад материјала, чврсто у додиру с кожом руке. Али то је само илузија. Никада ништа не додирујемо, барем не у смислу два чврста комада материје која се додирују. Више од 99,9999999999 процената атома састоји се од празног простора, са готово свом материјом концентрисаном у језгру.

Квантна механика (© Јаи Смитх)

Кад шалицу држите рукама, чини се да је његова снага долази из отпора електрона у чаши и у руци. Сами електрони уопште немају запремину, само су привидне нулте димензије поља негативног електричног наелектрисања које окружују атоме и молекуле попут облака. Закони квантне механике ограничавају их на одређене нивое енергије око атома и молекула. Док рука хвата чашу, она потискује електроне са једног нивоа на други, а то захтева енергију мишића, што мозак тумачи као отпор када додирнемо нешто чврсто.

Наш осећај додира потиче од изузетно сложене интеракције између електрона око молекула нашег тела и молекула предмета које додирујемо. Из ових информација наш мозак ствара илузију да имамо чврсто тело које се креће светом пуним других чврстих предмета. Контакт са њима нам не даје тачан осећај стварности. Могуће је да ниједно наше схватање не одговара ономе што се стварно догађа. Доналд Хоффман, когнитивни неуролог са Универзитета у Калифорнији, Ирвине, верује да су наша чула и мозак еволуирали тако да замагљују истинску природу стварности, а не да је откривају.

„Моја идеја је да је чињеница, каква год да је, превише компликована и одузеће нам превише времена и енергије за обраду.“

Поређење слике света у мозгу са графичким интерфејсом у рачунару

Хоффман упоређује слику изградње света у нашем мозгу, са графичким интерфејсом на рачунарском екрану. Све шарене иконе на екрану, попут корпе за отпатке, показивача миша и директоријума датотека, немају никакве везе са оним што се заиста догађа у рачунару. Управо апстракције, поједностављења омогућавају нам комуникацију са сложеном електроником.

Према Хоффману, еволуција је променила наш мозак тако да функционише баш као графички интерфејс који свет не репродукује верно. Еволуција не подржава развој тачне перцепције, она користи само оно што омогућава преживљавање.

Као што каже Хоффман:

„Форма влада над стварношћу“.

Хоффман и његови студенти су последњих година тестирали стотине хиљада рачунарских модела како би тестирали своје идеје у симулацијама вештачких облика живота који се такмиче за ограничене ресурсе. У сваком случају, организми су програмирани да дају предност физичкој спремности када се чињенице не подударају са оним створеним за тачну перцепцију.

На пример, ако је један организам дизајниран да тачно опази, на пример, укупну количину воде која је присутна у животној средини и наиђе на организам који је подешен да опази нешто једноставније, нпр. Оптималну количину воде која је потребна да остане жив. Дакле, иако би један организам могао створити тачнији облик стварности, ово својство не повећава његову способност преживљавања. Хоффманове студије довеле су га до изузетног закључка:

„У мери у којој смо прилагођени одржавању живота, нећемо бити прилагођени стварности. То не можемо учинити “.

Квантна теорија

Његове мисли се подударају са оним што неки физичари сматрају централном идејом квантне теорије - перцепција стварности није потпуно објективна, не можемо бити одвојени од света који посматрамо.

Хоффман у потпуности заузима овај поглед:

„Простор је само структура података, а физички објекти су сами по себи структуре података које креирамо у лету. Када погледам брдо, креирам ову структуру података. Онда скренем поглед и разбијем ову структуру података јер ми више није потребна “.

Као што показује Хоффманово дело, још увек нисмо узели у обзир пуно значење квантне теорије и онога што она говори о природи стварности. Већину свог живота сам Планцк је тежио да разуме теорију коју је помогао да створи и увек је веровао у објективну перцепцију универзума који је постојао независно од нас.

Једном је написао о томе зашто је одлучио да се бави физиком, супротно савету свог учитеља:

„Спољни свет је нешто независно од човека, то је нешто апсолутно и потрага за законима који се на то односе апсолутно ми се чинило најплеменитијим научним искуством у животу“.

Можда ће требати још један век да би још једна револуција у физици доказала да ли је био у праву или не, попут његовог професора Филипа фон Јолија.

Квантна механика

Остали делови из серије