დავუბრუნდეთ რა არის კვანტური მექანიკა და როგორ შეგვიძლია გამოვიყენოთ იგი.

უხილავი სანახაობა

კარგი, ასე რომ ყავის სუნი ხარ, თითქმის გამოფხიზლებული ხარ. შენი თვალები მზად არიან ყოველდღიური რუტინისთვის, მოციმციმე და ცოტათი შუქი გაუშვან. როცა ამაზე იფიქრებ, სინათლის ნაწილაკები, რომლებიც შენს სახესა და თვალებში მოხვდება, მილიონი წლის წინ მზის ცენტრში ჩამოყალიბდა, იმ დროს, როდესაც ჩვენმა წინაპრებმა ცეცხლის გამოყენება დაიწყეს. მზე ვერც კი გაგზავნის ნაწილაკებს, რომლებსაც ფოტონები ეწოდება, თუ ისინი არ იქნებოდა საჭირო იმავე ფენომენისთვის, რაც შეიძლება იყოს ჩვენი ყნოსვის, კვანტური გვირაბის საფუძველი.

დაახლოებით 150 მილიონი კილომეტრი გამოყოფს მზესა და დედამიწას, ამ მანძილს ფოტონს მხოლოდ რვა წუთი სჭირდება. ამასთან, მათი მოგზაურობის უმეტესი ნაწილი მზის შიგნით ხდება, სადაც ტიპიური ფოტონი მილიონ წელს ხარჯავს გაქცევისთვის. ამრიგად, ეს საკითხი ინახება ჩვენს ვარსკვლავის შუაგულში, სადაც წყალბადის ტყვია დაახლოებით 13-ჯერ უფრო მკვრივია, ხოლო ფოტონებს შეუძლიათ წამის უსასრულო წილამდე იმოგზაურონ, სანამ წყალბადის იონებმა არ შეიწოვონ, რომლებიც შემდეგ მფრინავ ფოტონს გაუშვებენ და ა.შ. მილიარდის შემდეგ ასეთი ურთიერთქმედების შედეგად საბოლოოდ ჩნდება ფოტონი მზის ზედაპირზე, რომელიც მილიონობით წლის განმავლობაში ანათებდა აქ.

კვანტური მექანიკა (© ჯეი სმიტი)

ფოტონები არასდროს წარმოიქმნებოდა და მზე ვერ იბრწყინებდა კვანტური გვირაბის გარეშე. მზე და ყველა სხვა ვარსკვლავი ქმნის სინათლეს ბირთვული შერწყმით, წყვეტს წყალბადის იონებს და ქმნის ჰელიუმს პროცესში, რომელიც ენერგიას გამოყოფს. ყოველ წამს, მზე ენერგიად გარდაქმნის დაახლოებით 4 მილიონ ტონა მატერიას. მხოლოდ წყალბადის იონებს, ისევე როგორც ინდივიდუალურ პროტონებს, აქვთ დადებითი ელექტრული მუხტები და მოგერიებენ ერთმანეთს. მაშ, როგორ შეიძლება მათი შერწყმა ერთმანეთთან?
კვანტური გვირაბის დროს, პროტონის ტალღური ბუნება ზოგჯერ საშუალებას აძლევს მათ ადვილად გადაფარონ ტალღები, როგორც აუზის ზედაპირზე. ის ფაქტი, რომ ისინი ერთმანეთს ემთხვევა, პროტონის ტალღები საკმარისად ახლოსაა, რომ სხვა ძალას, მაგალითად, ძლიერ ბირთვულ ძალას, რომელიც მოქმედებს მხოლოდ ძალიან მოკლე მანძილზე, შეუძლია დაძლიოს ნაწილაკების ელექტრული მოგერიება. ამის შემდეგ პროტონები იშლება ერთი ფოტონის გამოყოფაზე.

ჩვენი თვალები ძალიან მგრძნობიარეა ფოტონის მიმართ

ჩვენი თვალები ძალიან მგრძნობიარე გახდა ამ ფოტონის მიმართ. ზოგიერთმა ბოლოდროინდელმა ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ ინდივიდუალური ფოტონის დაფიქსირებაც კი შეგვიძლია, რაც საინტერესო შესაძლებლობას წარმოშობს: შეიძლება თუ არა ადამიანებმა კვანტური მექანიკის ზოგიერთი განსაკუთრებული შემთხვევის დადგენა? ნიშნავს ეს იმას, რომ ადამიანი, ისევე როგორც ფოტონი ან ელექტრონი ან შრედინგერის უბედური კატა, მკვდარია და ამავე დროს ცოცხალია, თუ ის უშუალოდ მონაწილეობს კვანტურ სამყაროში? როგორ შეიძლება გამოიყურებოდეს ასეთი გამოცდილება?

ადამიანის თვალი

”ჩვენ არ ვიცით, რადგან არავინ სცადა”, - თქვა რებეკა ჰოლმსმა, ლოს ალამოსის ეროვნული ლაბორატორიის ფიზიკოსმა, ახალი მექსიკო. სამი წლის წინ, როდესაც მან დაამთავრა ილინოისის უნივერსიტეტი ურბან-შამპანში, ჰოლმსი იყო გუნდის წევრი, რომელსაც პოლ კვიატი ხელმძღვანელობდა, რომელმაც აჩვენა, რომ ადამიანებს შეუძლიათ აღმოაჩინონ სინათლის მოკლე ციმციმები, რომელიც შედგება სამი ფოტონისგან. 2016 წელს მან გაარკვია, რომ მეცნიერთა კონკურენტმა ჯგუფმა, ნიუ იორკის როკფელერის უნივერსიტეტის ფიზიკოს ალიპანა ვაზირის ხელმძღვანელობით, დაადგინა, რომ ხალხმა რეალურად დაინახა ინდივიდუალური ფოტონები. ამასთან, ჩვენ ვხედავთ, რომ გამოცდილება შეიძლება ზუსტად არ იყოს აღწერილი. ვაზირმა, მან სცადა ენახა, თუ როგორ იფრქვევა ფოტონი. ჟურნალ Nature- ს განუცხადა: ”ეს არ მოსწონს სინათლის დანახვა. ეს თითქმის განცდაა ფანტაზიის ზღურბლზე. ”

კვანტური მექანიკა - ექსპერიმენტები

უახლოეს მომავალში, ჰოლმსი და ვაზირი ელიან ექსპერიმენტს იმის შესახებ, თუ რას აღიქვამენ ადამიანები, როდესაც ფოტონები შეიტანება სპეციალურ კვანტურ მდგომარეობებში. მაგალითად, ფიზიკოსებს შეუძლიათ დააკავშირონ ერთი ფოტონი იმასთან, რასაც ისინი სუპერპოზიციას უწოდებენ, სადაც ფოტონები ერთდროულად არსებობს ორ სხვადასხვა ადგილას. ჰოლმსმა და მისმა კოლეგებმა შეიმუშავეს ექსპერიმენტი, რომელშიც მონაწილეობა მიიღეს ორ სცენარად, რათა შეესწავლათ, შეუძლია თუ არა ადამიანს პირდაპირ აღქმა ფოტონების ზემოქმედებაზე. პირველ სცენარში, ერთი ფოტონი შედიოდა ადამიანის ბადურის მარცხენა ან მარჯვენა მხარეს, და ერთი შეამჩნევდა, თუ ბადურას რომელ მხარეს იგრძნო ფოტონი. მეორე სცენარში, ფოტონი მოათავსეს კვანტურ სუპერპოზიციაში, რაც მას საშუალებას მისცემს გააკეთოს ერთი შეხედვით შეუძლებელი - ერთდროულად ფრენა ბადურის მარჯვენა და მარცხენა მხარეს.

დავადგენთ თუ არა ბადურას ორივე მხარეს სინათლეს? ან ფოტონის ურთიერთქმედება თვალში სუპერპოზიციის "დაშლას" გამოიწვევს? თუ ასეა, ეს მოხდება როგორც მარჯვენა, ისე მარცხენა მხარეს, როგორც თეორია გვთავაზობს?

რებეკა ჰოლმსი ამბობს:

”სტანდარტული კვანტური მექანიკის საფუძველზე, სუპერპოზიციაში მყოფი ფოტონი ალბათ არ გამოირჩევა მარცხენა ან მარჯვენა ჭეშმარიტად შემთხვევით გადაცემული ფოტონისგან.”

თუ აღმოჩნდა, რომ ექსპერიმენტის ზოგიერთმა მონაწილემ რეალურად აღიქვა ფოტონი ერთდროულად ორივე ადგილზე, ნიშნავს ეს იმას, რომ ადამიანი თავად იყო კვანტურ მდგომარეობაში?

რებეკა ჰოლმსი დასძენს:

”შეიძლება ითქვას, რომ დამკვირვებელი კვანტურ სუპერპოზიციაში იყო მარტო უმნიშვნელო მოკლე დროში, მაგრამ ჯერ არავინ სცადა, ამიტომ ნამდვილად არ ვიცით. ამიტომ ასეთი ექსპერიმენტის გაკეთება ”.

თქვენ აღიქვამთ თავისებურად

ახლა კი დავუბრუნდეთ ყავის ფინჯანს. თქვენ გრძნობთ კათხას, როგორც მყარ მასალას, მყარად კონტაქტში თქვენი კანის კანს. მაგრამ ეს მხოლოდ ილუზიაა. ჩვენ არასდროს არაფერს არ ვეხებით, თუნდაც იმ გაგებით, რომ ორი მყარი ნივთიერება არ ეხება. ატომის 99,9999999999 პროცენტზე მეტი ცარიელი სივრცისგან შედგება, თითქმის მთელი მატერია კონცენტრირებულია ბირთვში.

კვანტური მექანიკა (© ჯეი სმიტი)

როდესაც ჭიქას ხელებით იჭერ, ის, როგორც ჩანს, მისია ძალა მოდის ელექტრონების წინაღობას ჭიქასა და ხელში. თავად ელექტრონებს საერთოდ არ აქვთ მოცულობა, მხოლოდ უარყოფითი ელექტრული მუხტის ველის მხოლოდ აშკარა ნულოვანი ზომებია ღრუბელივით გარს ატომებისა და მოლეკულების გარშემო. კვანტური მექანიკის კანონები ზღუდავს მათ სპეციფიკურ ენერგიის დონემდე ატომებისა და მოლეკულების გარშემო. როგორც ხელი თასს იჭერს, ის ელექტრონებს ერთი დონიდან მეორეზე უბიძგებს და ამისათვის საჭიროა კუნთის ენერგია, რომელსაც ტვინი განმარტავს, როგორც წინააღმდეგობა, როდესაც რაიმე მყარს შევეხებით.

ჩვენი შეხების გრძნობა წარმოიქმნება უკიდურესად რთული ურთიერთქმედების შედეგად, ელექტრონებს შორის, ჩვენი სხეულის მოლეკულების გარშემო და იმ ობიექტების მოლეკულებზე, რომლებსაც ჩვენ ვეხებით. ამ ინფორმაციიდან ჩვენი ტვინი ქმნის ილუზიას, რომ მყარი სხეული გვაქვს, რომელიც მოძრაობს სხვა მყარი საგნებით სავსე სამყაროში. მათთან კონტაქტი არ გვაძლევს რეალობის ზუსტ შეგრძნებას. შესაძლებელია, ჩვენი არცერთი აღქმა არ შეესაბამება იმას, რაც სინამდვილეში ხდება. დონალდ ჰოფმანი, კოლონიტური ნევროლოგი კალიფორნიის უნივერსიტეტის, ირვინში, მიიჩნევს, რომ ჩვენი გრძნობები და ტვინი განვითარდა რეალობის ჭეშმარიტი ბუნების დასაფარავად და არა მისი გამოსავლენად.

”ჩემი იდეა ის არის, რომ ფაქტი, რაც არ უნდა იყოს ის, ძალიან რთულია და ძალიან დიდ დროს და ენერგიას დაგვჭირდება დამუშავებისთვის.”

ტვინის სამყაროს სურათის შედარება კომპიუტერში არსებულ გრაფიკულ ინტერფეისთან

ჰოფმანი ადარებს სამყაროს მშენებლობის სურათს ჩვენს ტვინში, კომპიუტერის ეკრანზე არსებულ გრაფიკულ ინტერფეისთან. ეკრანზე განთავსებული ყველა ფერადი ხატი, როგორიცაა Recycle Bin, მაუსის მაჩვენებელი და ფაილების საქაღალდეები, არაფერ შუაშია იმასთან დაკავშირებით, თუ რა ხდება სინამდვილეში კომპიუტერში. ეს მხოლოდ აბსტრაქციები, გამარტივებები საშუალებას გვაძლევს კომუნიკაცია მოახდინოთ რთულ ელექტრონიკასთან.

ჰოფმანის თანახმად, ევოლუციამ შეცვალა ჩვენი ტვინი ისე, როგორც გრაფიკული ინტერფეისი, რომელიც არ ასრულებს სამყაროს ერთგულად. ევოლუცია მხარს არ უჭერს ზუსტი აღქმის განვითარებას, ის მხოლოდ იყენებს იმას, რაც გადარჩენის საშუალებას იძლევა.

როგორც ჰოფმანი ამბობს:

"ჩამოაყალიბეთ წესები რეალობაზე".

ჰოფმანმა და მისმა კურსდამთავრებულებმა ბოლო წლებში გამოსცადეს ასიათასობით კომპიუტერული მოდელი, რათა შეამოწმოთ თავიანთი იდეები ხელოვნური ცხოვრების ფორმების სიმულაციებში, რომლებიც შეზღუდული რესურსისთვის იბრძვიან. ნებისმიერ შემთხვევაში, ორგანიზმები დაპროგრამებულია ფიზიკური მომზადების პრიორიტეტად, როდესაც ფაქტებს არ ემთხვევა ზუსტი აღქმისთვის შექმნილი ფაქტები.

მაგალითად, თუ ერთი ორგანიზმი შექმნილია იმისთვის, რომ ზუსტად აღიქვას, მაგალითად, გარემოში არსებული წყლის საერთო რაოდენობა და მას წააწყდეს ორგანიზმი, რომელიც შექმნილია იმისთვის, რომ უფრო მარტივი რამ აღიქვას, მაგალითად, წყლის ოპტიმალური რაოდენობა, რომელიც საჭიროა სიცოცხლეში. ასე რომ, მიუხედავად იმისა, რომ ერთ ორგანიზმს შეუძლია შექმნას რეალობის უფრო ზუსტი ფორმა, ეს თვისება არ ზრდის მისი გადარჩენის უნარს. ჰოფმანის გამოკვლევებმა შესანიშნავი დასკვნა გამოიტანა:

”რამდენადაც ჩვენ შევეთანხმებით ცხოვრების შენარჩუნებას, ვერ ვიქნებით რეალობასთან შესაბამისობაში. ჩვენ ამის გაკეთება არ შეგვიძლია “.

კვანტური თეორია

მისი აზრები ემთხვევა იმას, რასაც ზოგიერთი ფიზიკოსი მიიჩნევს კვანტური თეორიის ცენტრალურ იდეად - რეალობის აღქმა მთლად ობიექტური არ არის, ჩვენ ვერ გამოვყოფთ იმ სამყაროს, რომელსაც ვაკვირდებით.

ჰოფმანი სრულად იპყრობს ამ მოსაზრებას:

”სივრცე არის მხოლოდ მონაცემთა სტრუქტურა და ფიზიკური ობიექტები თავად მონაცემთა სტრუქტურაა, რომელსაც ფრენის დროს ვქმნით. როდესაც გორას ვუყურებ, ვქმნი მონაცემთა ამ სტრუქტურას. შემდეგ თვალს ვაშორებ და ამ მონაცემების სტრუქტურას ვშლი, რადგან ეს აღარ მჭირდება ”.

როგორც ჰოფმანის ნაშრომმა აჩვენა, ჩვენ ჯერ არ განვიხილავთ კვანტური თეორიის სრულ მნიშვნელობას და რას ამბობს ის რეალობის ბუნების შესახებ. ცხოვრების უმეტეს ნაწილს თავად პლანკი ცდილობდა გაეგო ის თეორია, რომლის შექმნასაც იგი ეხმარებოდა და მას ყოველთვის სჯეროდა სამყაროს ობიექტური აღქმისა, რომელიც ჩვენგან დამოუკიდებლად არსებობდა.

ერთხელ მან დაწერა იმის შესახებ, თუ რატომ აირჩია ფიზიკა, მასწავლებლის რჩევის საწინააღმდეგოდ:

”გარესამყარო არის ადამიანისგან დამოუკიდებელი, ეს არის აბსოლუტური, და კანონების ძიება, რომლებიც ამ აბსოლუტურად ეხება, მეჩვენებოდა, რომ ეს იყო ცხოვრების ყველაზე კეთილშობილური სამეცნიერო გამოცდილება”.

შეიძლება კიდევ ერთი საუკუნე დასჭირდეს ფიზიკაში მორიგ რევოლუციას იმის დასადასტურებლად, იყო თუ არა ის მართალი ან მცდარი, ისევე როგორც მისი პროფესორი ფილიპ ფონ ჯოლი.