Wpis opublikowany przez ...AAA...
2029 wyświetleń
W dzisiejszym tekście drugi raz zanurzę się w fantastycznym świecie o rozmiarach subatomowych. Tym razem jednak chciałbym wykorzystać kwanty aby dotknąć istoty pewnego problemu, istotnego nie tylko z punktu widzenia samej mechaniki kwantowej, ale przede wszystkim ważnego dla próby zrozumienia teorii Wielkiego Wybuchu, a więc również działania otaczającej nas rzeczywistości. Osoby chcące się dowiedzieć jak mało ludzkość jeszcze wie o świecie, zapraszam do artykułu Kwanty nie do ogarnięcia cz.2: Wielki problem.
Zainteresowani tematem (oraz ci, którzy pokusili się o zapoznanie z wcześniejszym tekstem) wiedzą, że namacalny i dobrze nam znany świat dużych ciał rządzi się zupełnie innymi prawami niż rzeczywistość obiektów małych. Oczywiście, przymiotnik "mały" opisuje tu struktury tak nieprawdopodobnie drobne, że ciężko je dostrzec nawet przy pomocy wyspecjalizowanej aparatury; struktury mniejsze od atomu. Ostatnio skupiłem się na przedstawieniu nieoznaczoności - fundamentalnej zasady, która świetnie obrazuje nieprzewidywalność cząstek subatomowych. Nie jest to jednak jedyny dziw matki natury. Aby zaprezentować następny, posłużę się słynnym eksperymentem myślowym, o którym non stop przypominano mi w komentarzach =).
Wyobraźcie sobie, że istnieje możliwość zmniejszenia kota do rozmiarów pojedynczego elektronu, tak aby funkcjonował on według praw mechaniki kwantowej. Następnie kot zostaje zamknięty w szczelnym, ołowianym pojemniku. Wraz ze zwierzakiem w pudle znajduje się urządzenie napędzane pierwiastkiem promieniotwórczym emitującym jedną cząstkę na godzinę oraz licznikiem Geigera. Jeżeli detektor wykryje obecność cząstki, na co ma 50% szansę co godzinę, to urządzenie wyzwala trujący gaz, który uśmierca kota (Swoją drogą co za bestialstwo. Nie można było wziąć szczura?!). Problem w tym, że póki nie otworzymy pojemnika nie ma mamy żadnej możliwości sprawdzić czy kot zdechł czy żyje. Dla fizyki, ten kot zdechł i żyje jednocześnie! Pod spodem umieszczam wersję multimedialną tego eksperymentu.
[media=]
To szalone doświadczenie wymyślił i opisał w latach 30 XX wieku austriacki fizyk Erwin Schrödinger, w celu wyjaśnienia badanej wówczas kwestii tzw. superpozycji. Mówiąc najprościej, to właściwość cząstki, według której, znajduje się ona jednocześnie w wielu możliwych stanach. Tak, to kolejna obok nieoznaczoności zasada, wyglądająca jak istne science fiction. Bardziej dociekliwi zauważyli już, że haczyk w eksperymencie Schrödingera tkwi w samym atomie. Znajduje się on w stanie superpozycji, a więc rozpada się i nie rozpada jednocześnie, co przekłada się na równoczesną superpozycję nieszczęsnego kota.
Drążąc dalej superpozycję; jeśli weźmiemy przykładowy elektron, to w danym polu będzie znajdował się on w kilku stanach równocześnie. Podobnie jak przy nieoznaczoności, dopiero gdy dokonamy pomiaru, to znajdziemy cząstkę w danym stanie. Można to świetnie zrozumieć dzięki innemu, prostszemu eksperymentowi. Załóżmy, że mamy ołówek, który próbujemy postawić na dobrze zaostrzonym końcu. Naturalnie, zadziała na niego grawitacja i spadnie on w pewnym okręgu. Jeśli jednak wyobrazimy sobie ołówek kwantowy to zaczną się rzeczy przedziwne. Dzięki superpozycji będzie on spadał we wszystkie strony jednocześnie tworząc okrągłe i symetryczne pole! Ołówek normalnego rozmiaru spada tylko w jednym miejscu - dokonuje się tak zwane złamanie symetrii, wszechobecnej na poziomie kwantowym.
Powłoki elektronowe - warto zauważyć, że są zawsze symetryczne
Teraz pora na odjazd umysłowy i tytułowy wielki problem - Jak mały musi być obiekt, żeby podlegać superpozycji i dlaczego akurat tak mały? Kiedy następuje złamanie symetrii? Przecież przykładowy elektron i my należymy do tego samego świata. Ba! Elektrony i inne cząstki są w nas, a jednak my nie podlegamy superpozycji ani nieoznaczoności. Fakty są takie, że przewidywania fizyki dla pojedynczej cząstki są inne niż dla wielu. O ile rzeczywiście pojedynczy atom może ulec rozpadowi i nie rozpadowi jednocześnie, o tyle kot, czy jakikolwiek duży obiekt, może pozostać tylko w jednym stanie.
Problem jest wyjątkowo bolesny dla nauki, zmagającej się z dodatkowym pytaniem. Czy pierwotna osobliwość, od której rozpoczął się Big Bum, rządziła się przewidywalnymi prawami fizyki klasycznej, czy jednak zwariowaną naturą fizyki kwantowej? A może wyjście pośrednie? Tak czy inaczej obecnie zmuszeni jesteśmy do posługiwania się dwoma odmiennymi modelami. Kiedy wykształcił się ten drugi? Kiedy nastąpiło wielkie złamanie supersymetrii? A jak wyglądałby makroskopowy świat bez złamania supersymetrii? Być może supersymetria działa, lecz w sposób dla nas niezrozumiały? Myślę, że dzięki takim pytaniom nauka jest tak intrygująca. Na koniec jeszcze taka teoria:
W 1957 amerykański fizyk, Hugh Everett III, obronił pracę doktorską, w której zaproponował zupełnie nowe podejście do problemu interpretacji mechaniki kwantowej. Zaproponował, by wszystkie możliwe stany kwantowe (możliwe wyniki pomiarów) funkcji falowej potraktować jako prawdziwe i rzeczywiste. Założył, że w chwili obserwacji (pomiaru) zdarzenia kwantowego, będącego wcześniej w superpozycji - wszechświat rozczepia się na tyle kopii, ile jest możliwych rozwiązań funkcji falowej.
Jeśli sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową,
to nie rozumiesz mechaniki kwantowej.
Richard Feynman
PS. Jak komentarze będę przychylne (albo jeśli w ogóle będą) to część trzecia już za tydzień.
PS 2. Przepraszam, że nie piszę o rocznicy katastrofy. Jestem złym Polakiem.
Edit: PS 3. Promowany? Myślałem, że wybiorą wpis o ketchupie! 
21 komentarzy
Rekomendowane komentarze