مکانیک کوانتوم به شما امکان دیدن ، احساس و لمس ذرات را می دهد (قسمت 2)

2 22. 11. 2018
پنجمین همایش بین المللی برون سیاست، تاریخ و معنویت

بیایید به مکانیک کوانتوم برگردیم و بگوییم چگونه می توانیم از آن استفاده کنیم.

منظره ای نامرئی

خوب ، بنابراین بوی قهوه می دهید ، تقریبا بیدار هستید. چشمان شما برای برنامه روزمره آماده است ، چشمک می زند و به شما نور می دهد. همین که به آن فکر می کنید ، ذرات نوری که به صورت و چشم شما وارد می شوند ، یک میلیون سال پیش در مرکز خورشید شکل گرفتند ، در زمانی که اجداد ما شروع به استفاده از آتش کردند. خورشید حتی اگر ذراتی به نام فوتون برای همان پدیده ای که می تواند پایه و اساس حس بویایی ما باشد ، یعنی تونل سازی کوانتومی ، نیازی به ارسال آنها نخواهد داشت.

حدود 150 میلیون کیلومتر خورشید و زمین را از هم جدا می کند ، فوتون ها فقط هشت دقیقه طول می کشد تا این فاصله را طی کنند. با این حال ، بیشتر سفر آنها در داخل خورشید اتفاق می افتد ، جایی که یک فوتون معمولی یک میلیون سال صرف تلاش برای فرار می کند. بنابراین ماده در وسط ستاره ما ذخیره می شود ، جایی که هیدروژن حدود 13 برابر سرب بیشتر است و فوتون ها قبل از جذب توسط یون های هیدروژن ، می توانند کسری از ثانیه ثانیه را طی کنند ، و سپس یک فوتون را آتش می زنند تا از خورشید حرکت کند و غیره بعد از حدود یک میلیارد از چنین فعل و انفعالات ، سرانجام یک فوتون در سطح خورشید ظاهر می شود ، که میلیون ها سال است در اینجا می درخشد.

مکانیک کوانتوم (© جی اسمیت)

فوتون ها هرگز تشکیل نمی شدند و خورشید بدون تونل کوانتومی نمی درخشید. خورشید و همه ستارگان دیگر با همجوشی هسته ای نور ایجاد می کنند ، یون های هیدروژن را می شکند و در فرآیندی که انرژی آزاد می کند ، هلیوم ایجاد می کنند. در هر ثانیه ، خورشید حدود 4 میلیون تن ماده را به انرژی تبدیل می کند. فقط یون های هیدروژن مانند پروتون های منفرد دارای بار الکتریکی مثبت هستند و یکدیگر را دفع می کنند. بنابراین چگونه می توانند با یکدیگر ادغام شوند؟
در تونل کوانتومی ، موج ماهیت پروتون ها گاهی اوقات به آنها اجازه می دهد تا مانند امواجی که روی سطح یک حوضچه به هم می پیوندند ، به راحتی همپوشانی داشته باشند. این واقعیت که آنها با هم همپوشانی دارند امواج پروتون را به اندازه کافی نزدیک می کند تا نیروی دیگری مانند یک نیروی هسته ای قوی که فقط در فواصل بسیار کوتاه عمل می کند ، می تواند بر دافش الکتریکی ذرات غلبه کند. سپس پروتون ها ازاد می شوند تا یک فوتون آزاد کنند.

چشمان ما نسبت به فوتون ها بسیار حساس هستند

چشمان ما بسیار حساس به این فوتون ها شده اند. برخی آزمایشات اخیر نشان داده است که ما حتی می توانیم فوتون های منفرد را نیز تشخیص دهیم ، که این یک احتمال جالب را ایجاد می کند: آیا انسان ها می توانند برخی موارد خاص مکانیک کوانتوم را تشخیص دهند؟ آیا این بدان معناست که اگر شخصی ، مانند فوتون یا الکترون یا گربه نگون بخت شرودینگر ، مستقیماً در جهان کوانتوم درگیر باشد ، مرده و زنده است؟ چنین تجربه ای چگونه می تواند باشد؟

چشم انسان

ربکا هولمز ، فیزیکدان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو گفت: "ما نمی دانیم زیرا کسی تلاش نکرده است." سه سال پیش وقتی او از دانشگاه ایلینوی در اوربان شامپاین فارغ التحصیل شد ، هولمز در تیمی به سرپرستی پل کویت بود که نشان داد انسان می تواند تابش های کوتاه نور متشکل از سه فوتون را تشخیص دهد. در سال 2016 ، او دریافت که یک گروه رقابتی از دانشمندان ، به رهبری فیزیکدان علیپاژا وزیری در دانشگاه راکفلر در نیویورک ، دریافتند که مردم واقعاً فوتون های جداگانه ای را می بینند. با این حال ، می بینیم که لازم نیست تجربه به طور دقیق توصیف شود. وزیری ، او سعی کرد که خود فوتون ها را ببیند ، به مجله Nature گفت: "این مانند دیدن نور نیست. این تقریباً احساسی در آستانه خیال پردازی است. "

مکانیک کوانتوم - آزمایشات

در آینده ای نزدیک ، هولمز و وزیری انتظار دارند آنچه را که مردم هنگام ورود فوتون ها به حالتهای کوانتومی خاص درک می کنند ، آزمایش کنند. به عنوان مثال ، فیزیكدانان می توانند یك فوتون را به آنچه كه آن را ابرمجاع می نامند متصل كنند ، جایی كه فوتون ها به طور همزمان در دو محل مختلف وجود دارند. هولمز و همكارانش آزمایشی را طراحی كردند كه شامل دو سناریو بود تا آزمایش كند كه آیا انسان مستقیماً می تواند برهم نهی فوتون ها را درک كند یا خیر. در سناریوی اول ، یک فوتون به سمت چپ یا راست شبکیه انسان وارد می شود و یکی متوجه می شود که فوتون را در کدام طرف شبکیه احساس می کند. در سناریوی دوم ، فوتون در یک superposition کوانتومی قرار می گیرد که به او امکان می دهد کارهای ظاهرا غیرممکن را انجام دهد - پرواز همزمان به سمت راست و چپ شبکیه.

آیا کسی می تواند نور دو طرف شبکیه را تشخیص دهد؟ یا آیا فعل و انفعال فوتون در چشم باعث می شود که سوپرپوزیشن "فروپاشی" کند؟ اگر چنین است ، آیا همانطور که تئوری پیشنهاد می کند ، این اتفاق هر دو طرف راست و چپ رخ می دهد؟

ربکا هولمز می گوید:

"بر اساس مکانیک کوانتومی استاندارد ، یک فوتون در superposition احتمالاً متفاوت از یک فوتون واقعاً تصادفی منتقل شده از چپ یا راست به نظر نمی رسد."

اگر معلوم شود که برخی از شرکت کنندگان در آزمایش در واقع فوتون را در هر دو مکان به طور هم زمان درک کرده اند ، آیا این بدان معناست که شخص خود در یک حالت کوانتومی بوده است؟

ربکا هولمز اضافه می کند:

"ممکن است بگویید که ناظر در یک مدت زمان بسیار ناچیز در یک برهم نهی کوانتومی تنها بود ، اما هنوز کسی آن را امتحان نکرده است ، بنابراین ما واقعاً نمی دانیم. به همین دلیل چنین آزمایشی انجام می دهید. "

شما به روش خود ادراک می کنید

حالا برگردیم به فنجان قهوه. شما لیوان را به عنوان یک قطعه از مواد جامد ، کاملاً در تماس با پوست دست خود احساس می کنید. اما این فقط یک توهم است. ما هرگز چیزی را لمس نمی کنیم ، حداقل به معنای دو قطعه ماده جامد که لمس می کنند. بیش از 99,9999999999 درصد یک اتم از فضای خالی تشکیل شده است، تقریباً تمام ماده در هسته متمرکز شده است.

مکانیک کوانتوم (© جی اسمیت)

وقتی فنجان را با دستان خود نگه می دارید ، به نظر می رسد از آن او است قدرت از مقاومت الکترونهای فنجان و دست ناشی می شود. الکترون ها اصلاً حجمی ندارند ، فقط ابعاد صفر آشکار میدان بار الکتریکی منفی است که مانند ابر ، اتم ها و مولکول ها را احاطه می کند. قوانین مکانیک کوانتوم آنها را به سطح انرژی خاصی در اطراف اتم ها و مولکول ها محدود می کند. همانطور که دست فنجان را می گیرد ، الکترونها را از یک سطح به سطح دیگر سوق می دهد و این نیاز به انرژی عضلانی دارد ، که مغز هنگام مقاومت در برابر چیزی جامد ، آن را به عنوان مقاومت تعبیر می کند.

حس لامسه ما از تعامل بسیار پیچیده بین الکترونهای اطراف مولکولهای بدن و مولکولهای اجسامی که لمس می کنیم ناشی می شود. با استفاده از این اطلاعات ، مغز ما این توهم را ایجاد می کند که ما بدن جامدی داریم که در اطراف جهانی پر از اجسام جامد دیگر حرکت می کند. تماس با آنها درک دقیقی از واقعیت به ما نمی دهد. ممکن است هیچ یک از برداشت های ما با آنچه واقعاً اتفاق می افتد مطابقت نداشته باشد. دونالد هافمن ، متخصص مغز و اعصاب شناختی در دانشگاه کالیفرنیا ، ایروین ، معتقد است که حواس و مغز ما برای پنهان کردن ماهیت واقعی واقعیت ، و نه آشکار کردن ، تکامل یافته است.

"ایده من این است که واقعیت ، هرچه که باشد ، بیش از حد پیچیده است و برای پردازش ما وقت و انرژی زیادی می برد."

مقایسه تصویر جهان در مغز با رابط گرافیکی رایانه

هافمن تصویر ساخت جهان در مغز ما را با رابط گرافیکی روی صفحه کامپیوتر مقایسه می کند. تمام آیکون های رنگارنگ صفحه ، مانند سطل آشغال ، اشاره گر ماوس و پوشه های پرونده ، هیچ ارتباطی با آنچه واقعاً در داخل کامپیوتر می گذرد ندارند. این فقط انتزاع ها ، ساده سازی ها است که به ما امکان می دهد با الکترونیک پیچیده ارتباط برقرار کنیم.

از نظر هافمن ، تکامل مغز ما را تغییر داده است تا درست مانند یک رابط گرافیکی کار کند که دنیا را صادقانه تولید نمی کند. تکامل از توسعه درک دقیق پشتیبانی نمی کند ، فقط از مواردی استفاده می کند که بقا را امکان پذیر می کند.

همانطور که هافمن می گوید:

"قوانین را بر واقعیت شکل دهید."

هافمن و دانشجویان تحصیلات تکمیلی وی طی سالهای اخیر صدها هزار مدل رایانه ای را آزمایش کرده اند تا ایده های خود را در شبیه سازی اشکال حیات مصنوعی که برای منابع محدود رقابت می کنند ، آزمایش کنند. در هر صورت ، موجودات زنده طوری برنامه ریزی شده اند که آمادگی جسمانی را در اولویت قرار دهند ، وقتی واقعیت ها با آنهایی که برای درک دقیق ساخته شده اند مطابقت ندارند.

به عنوان مثال ، اگر یک ارگانیسم برای درک دقیق ، به عنوان مثال ، مقدار کل آب موجود در محیط طراحی شده باشد ، و با ارگانیسمی روبرو می شود که تنظیم شده است برای درک چیزی ساده تر ، به عنوان مثال ، مقدار بهینه آب مورد نیاز برای زنده ماندن. بنابراین در حالی که یک ارگانیسم می تواند شکل دقیق تری از واقعیت ایجاد کند ، این خاصیت توانایی زنده ماندن را افزایش نمی دهد. مطالعات هافمن او را به نتیجه گیری قابل توجهی رساند:

"تا آنجا که با حفظ زندگی سازگار باشیم ، با واقعیت همخوانی نخواهیم داشت. ما نمی توانیم چنین کاری انجام دهیم. "

تئوری کوانتومی

افکار وی با آنچه برخی از فیزیکدانان ایده اصلی تئوری کوانتوم می دانند همزمان است - درک واقعیت کاملاً عینی نیست ، ما نمی توانیم از دنیایی که مشاهده می کنیم جدا شویم.

هافمن این دیدگاه را به طور کامل ثبت می کند:

"فضا فقط یک ساختار داده است و اشیا physical فیزیکی خود ساختارهای داده ای هستند که ما در حین پرواز ایجاد می کنیم. وقتی به یک تپه نگاه می کنم ، این ساختار داده را ایجاد می کنم. سپس نگاه می کنم و این ساختار داده را می شکنم زیرا دیگر به آن نیازی ندارم. "

همانطور که کارهای هافمن نشان می دهد ، ما هنوز معنی کامل نظریه کوانتوم و آنچه راجع به ماهیت واقعیت می گوید ، در نظر نگرفته ایم. در بیشتر زندگی خود ، پلانک تلاش می کرد نظریه ای را که به ایجاد آن کمک کرده درک کند و همیشه به برداشت عینی از جهان باور دارد که مستقل از ما وجود دارد.

او یک بار برخلاف توصیه معلمش در مورد چرایی انتخاب رشته فیزیک نوشت:

"جهان خارج چیزی مستقل از انسان است ، چیزی مطلق است و جستجوی قوانینی که کاملاً در این مورد اعمال می شود به نظر من نجیب ترین تجربه علمی زندگی بود."

شاید یک قرن دیگر طول بکشد تا انقلابی دیگر در فیزیک ثابت کند که آیا او درست است یا اشتباه ، مانند استادش فیلیپ فون جولی.

مکانیک کوانتومی

قسمتهای دیگر سریال