Osnove kvantne mehanike
    Nedjelja, 06 Listopad 2019 14:58

    Osnove kvantne mehanike

    Fiziku 20. stoljeća okarakterizirala je pojava dvije revolucionarne teorije: Einsteinova teorije specijalne i opće relativnosti te teorija kvantne mehanike. Prva teorija opisuje fizičke događaje u makrokosmosu dok je za drugu teoriju rezerviran svijet malog, odnosno mikrokosmos. Da bi se dobila jedinstvena teorija prirode tzv. M teorija ili „teorija svega“ potrebno je ujediniti obje teorije. Međutim, svi pokušaji da se ujedine ove dvije teorije nisu urodili plodom. Sam einstein je posljednje godine svog života proveo u traganju za jednom jedinstvenom teorijom ali bez rezultata. Svaki pokušaj spajanja ove dvije teorije dovodilo je do stvaranja matematičkih beskonačnosti. Da bi se opisalo prirodu u cijelosti, potrebno je jedinstvo teorija koje opisuju makrokosmos i mikrokosmos, odnosno jedinstvo teorije koja opisuje ponašanje planeta, zvijezda, galaksija i čitavog kosmosa tj. teorija relativnosti i teorije koja opisuje ponašanje subatomskog svijeta, svijeta elementarnih čestica tj. kvantne mehanike . Posljednji teorijski koncepti koje su stvorili teorijski fizičari u pokušaju da formuliraju teoriju svega jesu kvantna gravitacija i teorija struna. Ali ni kvantna gravitacija (koja pokušava da gravitaciji, jedinoj sili koja nije ujedinjena sa ostalim prirodnim silama, elektro-magnetnoj, jakoj i slaboj nuklearnoj sili, dodijeli kvantna svojstva) kao ni teorija struna ( koja ima nekoliko teorijskih podvarijanti i koja u suštini implicira da su elementarne čestice vibracije jednodimenzionalnih struna koje se ne mogu percipirati jer postoje u višim dimenzijama) nisu uspjele da postanu teorija svega zato što postoji bezbroj načina na koje se ove teorije mogu riješiti matematičkim putem. Fizičari ne mogu da izaberu rješenje koje opisuje univerzum u kojem živimo već sva rješenja impliciraju postojanje multiverzuma s beskonačnim ili konačnim ali ogromnim brojem pojedinačnih Svemira. Paradoksalno je to što je Albert Einstein, najveći protivnik kvantne mehanike (on je svoju distanciranost od kvantne mehanike izrazio riječima „Bog se ne igra kockicama“ ) bio jedan od znanstevnika koji su doprinjeli njenom utemeljenju. Einstein je otkrio fotoelektrični efekt, za šta je dobio i Nobelovu nagradu. Naime, kada se crno tijelo izloži emisiji svjetlosti, ono počinje da zrači elektrone sa svoje površine, što znači da su fotoni pobudili elementarne čestice, elektrone. Elektroni emitiraju energiju od jednog „kvantna“ diskretnog paketića energije po čemu je i kvantna mehanika i dobila ime. Einstein je otkrio i dvostruku prirodu čestica svjetlosti, fotona. Naime svjetlost se ponaša kao da ima čestičnu prirodu ali se ponaša kao i val. Otkriveno je da sve elementarne čestice imaju dualnu prirodu i da samim tim materija ima dvostruku prirodu. Ovo je prva čudnovatost kvantne mehanike jer sada izgleda da je foton istovremeno čestica i val! Znanstvenici nikada nisu uspjeli da istovremeno vide spomenutu dvostruku prirodu elementarnih čestica. Oni su bili u mogućnosti da promotre valnu prirodu svjetlosti kao i čestičnu prirodu – ali nikada istovremeno. Sve do nedavno! Znanstvenici iz Federalne politehničke škole Lozane uspjeli su da direktno promotre dualnu prirodu svjetlosti! Kako im je to pošlo za rukom? Kao prvo, oni su koristili elektrone da bi vidjeli svjetlost. Eksperiment se odvijao na slijedeći način: nano-žicu znanstvenici su osvjetlili laserom, odnosno fotonima koji su imali veoma visoku energiju. Fotoni su, zahvaljujući svojoj energiji, pobudili čestice u nano-žici. Fotoni su u vidu valova počeli da se kreću duž žice u oba smjera i tamo gde su se sudarili formirao se val koji se ne kreće tzv. stojeći val. Taj val je zračio fotone koji su osvjetljavali nano-žicu. Da bi vidjeli sam val svjetlosti, znanstvenici su koristili ubrzane elektrone koji su se kretali u blizini žice. Tamo gdje je došlo do interakcije elektrona i fotona neki elektroni su usporavali svoje kretanje dok su drugi ubrzavali. Koristeći ultra brzi mikroskop znanstvenici su uvidjeli obrazac promjene brzina i na taj način su odredili (tj. mogli su da “vide”) stojeći val, koji je prestavljao otisak valne prirode svjetlosti. Kao što ovaj rezultat pokazuje valnu prirodu svjetlosti, on pokazuje i njenu čestičnu prirodu. Naime, elektroni koji su propušteni u blizinu stojećeg vala su se sudarali sa fotonima i na taj način dolazilo je do promjene u brzini njihovog kretanja a ova promjena njihove brzine očitovala se u razmjeni kvanta, odnosno diskretnih energetskih paketa čija sama pojava dokazuje i čestičnu prirodu svjetlosti. Ali ovo nije jedina čudnovatost kvantne mehanike. Realnost u kvantnoj mehanici je kontraintuitivna i probibalistička. Zbog toga Einstein nikada nije želio da je ozbiljno prihvati.

    Einstein-Podolsky-Rozenov paradoks
    Einstein-Podolsky-Rozenov paradoks (EPR) nosi ime trojice znanstvenika koji su zaslužni za njegovo koncipiranje. Ovaj paradoks na još jednom primjeru pokazuje čudnovatost kvantne mehanike. Paradoks, koji se naziva i „sablasno djelovanje na daljinu“ je zapravo nastao kao misaoni eksperiment trojice znanstvenika ali je do sada nebrojano puta primjećen u različitim eksperimentima. Reč je o nečemu stvarnom što je eksperimentalno potvrđeno. Problem je u tome što se to „stvarno“ kosi s našom intuicijom. Princip lokalnosti koji je intuitivno zasnovan govori da jedan sistem ne može da djeluje na drugi trenutno i to bez medija koji će poslužiti za prijenos informacija. Isto tako, iz specijalne teorije relativnosti slijedi da nijedna informacija ne može da putuje brzinom većom od svjetlosne. Naizgled, EPR paradoks se kosi sa svim gore spomenitim. U čemu se zapravo sastoji EPR paradoks? U misaonom eksperimentu, što je kasnije potvrđeno brojnim fizičkim eksperimentima, možemo da zamislimo dvije čestice koje se nalaze spojene jedna sa drugom. Sada npr. možemo odvojiti česticu B i smjestiti je u Andromedinu galaksiju. Pristupimo sada mjerenju spina čestice A. Čim smo izmjerili njen spin, mi istovremeno znamo i spin čestice B iako se ona nalazi na udaljenosti od 2,5 miliona svjetlosnih godina od nas! Dakle, ovaj paradoks ne samo da ruši sve naše fundamentalne koncepte o realnosti već i podrazumijeva prostornu invarijantnost koja povlači temporalnu invarijantnost, što opet znači da se informacija može prenijeti i kroz vrijeme! Pošto je ovaj paradoks nešto što je dokazano eksperimentalnim putem, znači da postoji nekompatibilnost između naše intuicije o realnosti i same realnosti. Zbog toga je kvantna mehanika od izuzetnog značaja za filozofiju znanosti jer preispituje naše fundamentalne teorije o stvarnosti kao takvoj.

    Schrodingerova mačka
    Schrodingerova mačka je misaoni eksperiment nastao u umu Erwina Schrodingera, jednog od pionira kvantne mehanike kao znanosti. On je eksperimentom želio da pokaže koliko je kvantna mehanika zapravo kontraintuitivna i neprihvatljiva. Da bi se objasnio ovaj eksperiment, treba razmotriti tzv. Heizenbergovo načelo neodređenosti koje je jedno od fundamentalnih aspekata kvantne mehanike. Naime, po načelu neodređenosti, nemoguće je u isto vrijeme znati poziciju i brzinu čestice. Što preciznije odredimo jedan od ovih parametara mi smo u nemogućnosti da precizno odredimo drugi. Riječ je o pukom valu vjerovatnosti : može se samo pretpostaviti gdje se nalazi čestica ali njenu sigurnu lokaciju ne možemo znati sve dok ne izvršimo čin mjerenja i izazovemo tzv. kolaps valne funkcije. Prije mjerenja čestica se nalazila u superpoziciji stanja, što znači da se nalazila doslovno svuda: na Zemlji, na Mjesecu, na Marsu, bilo gdje u Svemiru! Jedino je vjerojatnost određivala njenu moguću poziciju, odnosno prije mjerenja smo mogli jedino znati sa određenom dozom vjerovatnosti gdje će se čestica vjerojatno nalaziti. Veća vjerovatnost je da se nalazi na Zemlji nego na nekoj egzoplaneti u Svemiru ali poanta je da mi to ne možemo znati sa stoprostotnom vjerojatnosti. Tek kada izvršimo čin mjerenja, mi saznajemo gde se čestica točno nalazi. U tom trenutku sve njene verovatnosti nestaju i ona zadobiva svoju realnu poziciju u prostor-vremenu. Ovo ima ogromne filozofske implikacije zato što je, po teoriji, čestica istovremeno na svim mjestima prije nego što se izvrši čin mjerenja. Njena realnost je „razlivena“ po vjerovatnostima. Misaoni eksperiment „Schrodingerova mačka“ se bazira na spomenutom principu neodređenosti. Zamislimo jednu kutiju u kojoj se nalazi mačka koju, naravno, ne možemo vidjeti. U kutiji se sada nalazi oružje čiji je obarač privezan za jednu aparaturu. Ta aparatura se sastoji iz kontejnera u kome se nalazi jedan radioaktivni element i instrument koji registrira kada je došlo do radioaktivnog raspada. Taj instrument je povezan s polugom koja je pak povezana sa obaračem pištolja. Kada dođe do raspada elementa, aparatura se aktivira i pištolj opali i usmrti mačku. Međutim, radioaktivni raspad je nasumični kvantno mehanički proces pa ne možemo znati kada će i da li će do raspada doći. Sve što možemo da napravimo je da podignemo kutiju i uvjerimo se u kakvom je stanju naša mačka. Međutim, prije nego što podignemo kutiju, mačka se nalazi u super poziciji stanja ona je istovremeno i živa i mrtva! Ovo je svakako nemoguće i kontraintuintivo. Zato postoje različita teorijska tumačenja načela neodređenosti od kojih ćemo spomenuti dva. Različita tumačenja načela neodređenosti Zbog toga što se na ovom mjestu fizičari i filozofi razilaze, postoji nekoliko tumačenja kvantne mehanike i principa neodređenosti. Od navedenih tumačenja navešćemo dva: klasično-Copenhagensko tumačenje i Everetovo tumačenje mnoštva svetova. Copenhagensko tumačenje se bazira na tome da su objekti stvarno opisani svojom valnom funkcijom, odnosno distribucijom vjerovatnosti. Sam čin mjerenja je od presudne važnosti jer uvodi faktor promatrača. Po Copenhagenskom tumačenju objekti se zaista nalaze u super poziciji svojih stanja sve dok promatrač (koji ne mora biti čovjek nužno) ne izmjeri točnu poziciju čestice. Sam čin mjerenja dovodi do spomenutog tzv. kolapsa valne funkcije i mi na kraju vidimo da je objekt u jednom stanju. Filozofski promatrano, čin opažanja je taj koji nekako omogućava realitet predmetu. Kako? Postoje brojne nesuglasice ali jedno od zanimljivijih tumačenja glasi da je svijest promatrača ta koja dovodi do kolapsa valne funkcije, što znači da prosmatrači mogu samim činom opažanja da utječu na objektivnu stvarnost. Esse est percipi princip se u svojoj krajnjoj spekulativnoj implikaciji može primjeniti na čitav Univerzum.

    Multiverzum
    Fizičar Hugh Everett je tijekom pedesetih godina prošlog vijeka koncipirao teoriju mnoštva svijetova. Ona ne uključuje princip dekoherencije (čestica je koherentna sa svim svojim pozicijama kada se nalazi u stanju super pozicije koje prethodi promatranju, kada promatrač izvrši mjerenje dolazi do dekoherencije sistema) ali isto tako ne uključuje čudnu pretpostavku da promatračeva svijest dovodi do kolapsa valne funkcije. Everettova interpretacija uvodi još jednu mnogo čudniju pretpostavku: do kolapsa valne funkcije nikad ne dolazi, čestica je koherentna sa svim svojim stanjima i ona egzistira u paralelnim Univerzumima! Na ovom mjestu se još jednom susrećemo s pojmom „Multiverzum“ koji je zapravo implikacija većine suvremenih fizičkih i kosmoloških teorija. S filozofske i znanstvene pozicije nemoguće je utvrditi koja je od ova dva tumačenja točnija! Jedan misaoni eksperiment koji je koncipiran tijkom osamdesetih godina prošlog stoljeća bio je pokušaj da se odgovori na ovo pitanje. Ni on nije uspio u tome da ponudi definitivan odgovor na ovo najčudnije svojstvo kvantne mehanike.

    Kvantno samoubistvo
    Ovaj pomalo morbidni misaoni eksperiment koncipiran je s namjerom da se utvrdi koje je od dva gore navedena tumačenja ispravno. Sastoji se u slijedećem. Za eksperiment su potrebne dvije osobe, eksperimentator i asistent. Eksperimentator koji je spreman da se žrtvuje za dobrobit znanosti pristaje da izvrši „kvantno samoubistvo“, odnosno spreman je na igru sa smrću samo da bi dokazao koje je od tumačenja kvantne mehanike ispravno a koje nije. Eksperimentator ulazi u sobu koja je koncipirana slično kao kutija u eksperimentu sa Schrodingerovom mačkom. Po Copenhagenskom tumačenju, eksperimentator se prije prvog hica iz puške suočava sa vjerovatnosti od 50/50 posto da će ostati živ. Pri svakom slijedećem napinjanju oroza ta šansa se smanjuje. Slično je i sa interpretacijom mnoštva svijetova, dakle šanse da eksperimentator izađe živ poslije svakog narednog hica su sve manje i manje. Suština eksperimenta je da nikada nećemo moći da dokažemo istinitost jednog ili drugog tumačenja. Na stranu moralna i etička strana ovog eksperimenta – nitko naravno nije spreman da se stavi u poziciju eksperimentatora. Ali da je, recimo, osoba koja izvodi eksperiment poginula u svim mogućim svijetovima i nekim čudom ostala živa u jednom, ona je dostigla „kvantnu besmrtnost“, što će biti poznato samo njoj. Ona nikada neće moći da dokaže tvrdnju da je postigla kvantnu besmrtnost nasuprot Copenhagenskom tumačenju. U eksperimentu asistent je osoba koja opaža i vrši mjerenja ali ona nikada neće biti u stanju da dokaže koje od tumačenja je istinito jer ne postoji mogućnost da spozna pravo stanje stvari. Ako je eksperimentator mrtav, asistent neće znati da li je Copenhagensko tumačenje istinito i da je osmotrio smrt eksperimentatora ili je teorija mnoštva svijetova istinita i on živi u Univerzumu u kome eksperimentator nije dostigao kvantnu besmrtnost. S druge strane, ukoliko je eksperimentator živ, asistent ponovo neće znati da li je istinito Kopenhagensko tumačenje pa je osmotrio slučaj kolapsa talasne funkcije pri kome eksperimentator ostaje živ ili je istinito tumačenje mnoštva svetova po kome se on nalazi u univerzumu u kome je eksperimentator postigao kvantnu besmrtnost. Još nije kraj čudima u kvantnoj mehanici Kvantna mehanika sa svojim paradoksima čini da filozofi budu veoma zainteresovani za nju. Ma koliko se kvantna mehanika činila čudnom i kontraintuitivnom, ona je ipak temelj prirode koja je izgleda mnogo čudnija nego što smo mogli da pretpostavimo u najsmelijim snovima.

    Eksperiment sa dva proreza
    Za kraj, možda najpoznatiji eksperiment u kvantnoj mehanici, eksperiment sa duplim prorezom. Aparatura za ovaj eksperiment je vrlo jednostavna, sastoji se od uređaja koji ispaljuje elektrone, zastora sa duplim prorezom i fotografske ploče. Najprije ispaljujemo elektrone kroz oba proreza. Slika koju ćemo dobiti na fotografskoj ploči izgledati će tako da su se elektroni grupirali tamo gdje su prošli kroz prorez, odnosno imati ćemo svjetle i tamne pruge zavisno od toga na koji način su elektroni interferirali međusobno. Interferencija se javlja kada se vrh jednog vala poklopi s drugim i on će se tada povećati ali neki put će se dogoditi da dno vala bude poklopljeno sa dnom drugog vala i tada će val nestati. Zbog ovoga imamo interferencijsku sliku na fotografskoj ploči kao i kada smo propuštali svjetlosne fotone kroz proreze i ovo potvrđuje valnu prirodu čestica. Ali što će se desiti ukoliko ispalimo samo jedan elektron i to kroz samo jedan prorez? Ono što ćemo ponovo dobiti je interferencijska slika! Kako je ovo moguće ukoliko je bio ispaljen samo jedan elektron? S kojom česticom je on bio u interakciji? On je, po načelu neodređenosti, bio u interakciji sa samim sobom! Čestica je bila u super poziciji svojih stanja i do fotografske ploče je putovala svim mogućim putanjama. Sada kada uvedemo promatrača kao faktor, desiti će se čudo: elektron kao da „zna“ da je promatran proći će kroz samo jedan prorez jednom i nećemo imati interferencijsku sliku! Kao da je elektron sam izabrao da ne dođe do interakcije sa svojim super pozicijama! Zbog svega navedenog kvantna mehanika do dana današnjeg nije „ukroćena“ i nije smještena u razumljive intuitivne konceptualne okvire. Zato filozofske interpretacije poput interpretacije mnoštva svijetova dobivaju na snazi.
    www.tragomzvezda.net
    Pročitano 205 puta

    O nama

    Hrastović Inženjering d.o.o. od 2004. se razvija u specijaliziranu tvrtku za projektiranje i primjenu obnovljivih izvora energije. Osnova projektnog managementa održivog razvitka društva je povećanje energijske djelotvornosti klasičnih instalacija i zgrada te projektiranje novih hibridnih energijskih sustava sunčane arhitekture. Cijeli živi svijet pokreće i održava u postojanju stalni dotok Sunčeve energije, a primjenom transformacijskih tehnologija Sunce bi moglo zadovoljiti ukupne energetske potrebe društva.

    Kontakt info

    HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o.
    Kralja Tomislava 82.
    31417 Piškorevci
    Hrvatska

    E-mail: info@hrastovic-inzenjering.hr
    Fax: 031-815-006
    Mobitel: 099-221-6503
    © HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o. - design & hosting by Medialive