Çeviri
Altı imkansızlık. Kuantum dünyasının gizemleri
John Gribbin
"Altı İmkansız: Kuantum Dünyasının Gizemleri": Alpina kurgu dışı; Moskova; 2021
dipnot
Kuantum fiziği çok garip bir şey. Bir parçacığın aynı anda iki yerde olabileceğini iddia ediyor. Dahası, bir parçacık aynı zamanda bir dalgadır ve kuantum dünyasında olan her şey, dalgaların veya tercihinize göre parçacıkların etkileşimi olarak temsil edilebilir.
Bütün bunlar 1920'lerin sonunda açıktı. Bu süre zarfında, az ya da çok ikna edici birçok farklı yorum denendi. Ünlü bilim popülerleştiricisi John Gribbin, bizi Kopenhag yorumundan çok sayıda dünya fikrine kadar bu tür açıklamaların "büyük altısı" arasında heyecan verici bir yolculuğa çıkarıyor.
Bu seçeneklerin tümü değişen derecelerde deliliktir, ancak kuantum dünyasında delilik yanılabilirlik anlamına gelmez ve diğerlerinden daha deli olmak, mutlaka daha fazla hatalı olmak anlamına gelmez. Altı İmkansız, gerçekten harika bir dünya için çarpıcı derecede özlü bir rehberdir.
Editörün tasarımı PDF A4 formatında korunmuştur.
John Gribbin
Altı İmkansız: Kuantum Dünyasının Gizemleri
Alice güldü.
"İşe yaramıyor," dedi. İmkansıza nasıl inanabilirsin?
"Yavaş yavaş," diye talimat verdi Kraliçe. "Senin kadar gençken bunu her gün yarım saat yapardım. Kahvaltıdan önce, en imkansız altı şeye inanmayı başardım.
LEWIS CARROLL. ALİCE HARİKALAR DİYARINDA
KONFOR , -I; bkz. _ Teselli eden, smb'ye getirir. sakinlik, kederde rahatlama.
John Gribbin
ALTI İMKANSIZ ŞEY
"Quanta of Solace" ve Atom Altı Dünyanın Gizemleri
yazar hakkında
Yazarın uzun çok satanlar listesinde "Schrödinger'in Kedisinin İzinde", "Evrenin Biyografisi", "13.8. Evrenin Gerçek Yaşını Arayışı ve Her Şeyin Teorisi ve Bir Devin Gölgesinden: Newton, Hooke ve Halley'in Omuzlarında Nasıl Durdu? Gribbin, Sussex Üniversitesi'nde misafir öğretim üyesidir. Spectator dergisi onu "bugünün en iyi ve en üretken kurgu dışı yazarlarından biri" olarak nitelendirdi.
Önsöz
Sorun ne, Alfie? Kuantum Teselli İhtiyacı
Kuantum fiziği garip bir şey. En azından bize garip, çünkü bu dünyanın atomlar ve temel parçacıklar düzeyinde nasıl çalıştığını yöneten kuantum dünyasının kuralları (Richard Feynman'ın formüle ettiği şekliyle ışığın ve maddenin davranışını yöneten) bildiğimiz kurallarla örtüşmüyor. - sağduyu dediğimiz şeyin kuralları.
Kuantum kuralları bize belli bir kedinin aynı anda hem canlı hem de ölü olabileceğini ve bir parçacığın aynı anda iki yerde olabileceğini söylüyor gibi görünüyor. Sadece bu da değil, herhangi bir parçacığın da bir dalga olduğunu ve kuantum dünyasındaki her şeyin yalnızca dalgalarla - veya tercih ederseniz yalnızca parçacıklarla - tanımlanabileceğini söylüyorlar. Erwin Schrödinger, dalgaların kuantum dünyasını tanımlayan denklemler buldu, Werner Heisenberg parçacıkların kuantum dünyasını tanımlayan denklemler buldu ve Paul Dirac, gerçekliğin bu iki versiyonunun birbirine tam olarak eşdeğer olduğunu ve aynı kuantum dünyasını tanımladığını kanıtladı. Bütün bunlar 1920'lerin sonunda açıktı. Ancak, ölümlüler bir yana, pek çok fizikçiyi büyük bir dehşete düşürecek şekilde, hiç kimse (ne o zaman ne de daha sonra) sağduyu açısından neler olup bittiğine dair rasyonel bir açıklama sunamadı.
Tabii ki, bir gün kendi kendine ortadan kalkacağı umuduyla bu sorunu görmezden gelebilirsiniz. Denklemler (tercih ettiğiniz versiyonda), örneğin bir lazer tasarlamanız, DNA'nın yapısını açıklamanız veya bir kuantum bilgisayar oluşturmanız gerektiğinde harika çalışır. Ve öyleydi: tüm nesil öğrenciler "sus ve say" talimatından başka bir talimat almadılar, yani bu denklemlerin ne anlama geldiğini sormak değil, sadece içlerindeki sayıları değiştirmek . Bu kabaca parmaklarınızla kulaklarınızı tıkayıp "la-la-la, seni duyamıyorum" şarkısını söyleme talimatına karşılık gelir. Daha düşünceli fizikçiler hala teselli ve barış arıyor. Kuantum dünyasında neler olup bittiğini açıklamak için az ya da çok çaresiz pek çok yöntem önerdiler.
Bu araçlara - "teselli kuantumları" - yorumlar denir. Denklemler düzeyinde, bu yorumların hiçbiri diğerlerine göre öncelikli değildir, ancak müfessirlerin kendileri ve takipçileri, elbette, en sevdikleri yorumun gerçek inancın ışığını taşıdığını ve diğer inançlara bağlı olanların sapkın olduğunu söyleyecektir. . Öte yandan, matematiksel olarak yorumların hiçbiri diğerlerinden hiçbir şekilde aşağı değildir. Büyük olasılıkla, bu ciddi bir şeyi kaçırdığımız anlamına gelir. Belki bir gün, dünyanın modern kuantum teorisiyle aynı tahminleri yapabilen, ama aynı zamanda anlamlı, muhteşem yeni bir tanımı keşfedilecek. En azından öyle olmasını umabilirsin.
Bu arada, belki de size kuantum fiziğinin ana yorumlarının eleştirel bir incelemesini sunmaya değer. Hepsi sağduyu delisi, bazıları diğerlerinden daha çılgın ama kuantum dünyasında "deli" ille de "kafir" anlamına gelmiyor ve diğerlerinden daha deli olmak mutlaka daha da çılgın olmak anlamına gelmiyor. Büyük ölçüde Aynanın İçinden'den bir alıntıyı bir epigraf olarak kullanmayı haklı çıkarmak için altı örnek - geleneksel yarım düzine - seçtim. Göreceli değerleri hakkında kendi fikrim var, ama kendi seçiminizi yapabilmeniz için onu geride tutmaya çalışacağım ya da isterseniz kulaklarınızı tıkayıp "la-la-la, yapabilirim" şarkısını söyleyebilirsiniz. seni duymuyorum."
Ancak, size bu yorumları sunmadan önce, tam olarak neyi yorumlamaya çalıştığımızı en azından kısaca açıklamalıyım. Bilim genellikle sarsıntılarla ilerler - dedikleri gibi, bir adım ileri, iki adım yerinde. Ancak bu durumda, ileriye doğru iki adım atmak mantıklı görünüyor, böylece daha çok Lewis Carroll olarak bilinen Charles Lutwidge Dodgson'a bir kez daha selam vermek.
John Gribbin
Haziran 2018
Adım bir
ana bilmece
Kuantum dünyasının tüm tuhaflığı, genellikle "çift yarık deneyi" dediğimiz şeyde ortaya çıkar. Kuantum fiziğine katkılarından dolayı Nobel Ödülü alan Richard Feynman, buna “iki delikli deney” demeyi tercih etmiş ve bunun “klasik bir şekilde açıklanması imkansız, kesinlikle, kesinlikle imkansız bir olgu” olduğunu söylemiştir . Bu fenomen, kuantum mekaniğinin özüdür. Ama aslında tek bir sır saklıyor... Tüm kuantum mekaniğinin ana özelliklerini [ve içeriyor] . Bir okul fizik dersinden bu deneyin ışığın bir tür dalga formu olduğunu "kanıtladığını" hatırlayanlar için bir sürpriz.
Deneyin okul versiyonu, ışığın basit bir ekrana - bir karton veya kağıt yaprağına - düştüğü karanlık bir odayı içerir. İki küçük delik veya bazı versiyonlarda iki dar paralel yuva ile delinmiştir. Bu ekranın arkasında zaten herhangi bir delik olmayan ikinci bir ekran var. Birinci perdedeki iki delikten geçen ışık, ikinci perdeye girer ve burada kendine özgü bir ışık ve gölge deseni oluşturur. Işığın deliklerden ayrılma şekline kırınım denir ve desene girişim deseni denir, çünkü iki delikten gelen iki ışık huzmesinin etkileşiminden (girişiminden) kaynaklanır. Ve bu model, ışık bir tür dalga gibi hareket ettiğinde ortaya çıkacak olan modele tam olarak karşılık gelir. Bazı yerlerde dalgalar toplanır ve ikinci ekranda parlak bir nokta oluşturur; diğerlerinde, bir dalganın tepesi diğerinin çukuruna düşer, birbirini yok eder ve karanlık bir nokta bırakır. Aynı türden bir girişim deseni, aynı anda iki çakıl taşı atıldığında göletin sakin bir yüzeyinde dağılacak olan dalgalarda da görülebilir. Bu tür girişimin karakteristik özelliklerinden biri, ikinci ekrandaki en parlak ışık noktasının doğrudan deliklerden birinin arkasında değil, tam olarak ikisinin ortasında olmasıdır; bir parçacık akışıydı. Evet, ışık bir parçacık akışı olsaydı, her deliğin arkasında bir ışık noktası ve aralarında karanlık oluşması beklenirdi.
Richard Feynman
Joe Munroe/Hulton Arşivi/Getty Images
Şimdiye kadar her şey iyi gidiyor. Deney, Thomas Jung'un 19. yüzyılın başında tahmin ettiği gibi ışığın bir dalga gibi hareket ettiğini kanıtlıyor. Ne yazık ki, XX yüzyılın başında. Başka bir deney, ışığın bir parçacık akışı gibi davrandığını açıkça gösterdi. Deney, elektronların bir ışık demeti ile metal bir yüzeyden çıkarılması gerçeğinden oluşuyordu - buna fotoelektrik etki denir. Fırlatılan elektronların enerjisi ölçülebildiğinde, her bir elektronun enerjisinin herhangi bir gölgedeki ışık için her zaman aynı olduğu ortaya çıktı. Parlak ışık, yüzeyden daha fazla elektron fırlatır, ancak yine de hepsi aynı enerjiye sahiptir ve bastırılmış ışık tarafından yok edilen daha az sayıda elektronun enerjisi ile tam olarak aynı enerjiye sahiptir.
Bu fenomenin açıklaması, şimdi foton dediğimiz ışık parçacıkları aracılığıyla Albert Einstein'dan başkası tarafından verilmedi ve kendisi de ışık kuantumu adını verdi. Bir fotonun taşıdığı enerji miktarı renge bağlıdır ve herhangi bir ton için tüm fotonlar aynı enerjiye sahiptir. Einstein'ın yazdığı gibi, "En basit kavram, bir ışık kuantumunun tüm enerjisini bir elektrona aktarmasıdır." Işık amplifikasyonu, her birinin bir elektrona aktarabileceği aynı enerjiye sahip fotonların (ışık kuantumları) sayısını artırır. Einstein, Nobel Ödülü'nü görelilik teorisi için değil, bu çalışması için aldı. Bir asırdır ışık bir dalga olarak algılanıyordu, şimdi fizikçiler onu bir parçacık olarak algılamaya başlamak zorundaydı - peki o zaman iki delikle ilgili deneyi nasıl açıklayacaktık?
Ekrandaki iki yarıktan geçen ışık dalgaları, her birinden ayrılarak bir göletin yüzeyindeki dalgalanmalara benzer bir girişim deseni oluşturur.
Noktalı çizgiler, ekranda parlak noktalar oluşturan dalgaların karşılıklı olarak güçlendiği yerleri gösterir.
Daha da kötüsü. 1920'lerde fotoelektrik etki ile yapılan deneylerin ışığın dalga doğası hakkında şüphe uyandırdığını görmek. fizikçiler daha da dehşete düştüler: atom altı dünyanın arketip parçacığı olan elektronun bir dalga gibi davranabileceğini öğrendiler. Deneyciler, elektron ışınlarını ince - milimetrenin on binde biri ile yüz binde biri kalınlığındaki - altın varak tabakalarına yönlendirdiler ve (yaprakların diğer tarafında) ondan ne geleceğini gözlemlediler. Çalışmalar, bir metalin atomik kafesindeki atomlar arasındaki boşluklardan geçen elektron ışınlarının, iki delikli deneyde ışığın saçılmasıyla tamamen aynı şekilde dağıldığını göstermiştir. Bu deneyleri yapan George Thomson, elektronun dalga yapısını kanıtladığı için Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Babası J. J. Thomson, elektronun bir parçacık olduğunu kanıtladığı için zamanında Nobel Ödülü'nü aldı (ve ödülün George'a verildiği günü görecek kadar yaşadı). Aynı zamanda, her iki ödül de hak edilmişti ve hiçbir şey kuantum dünyasının tuhaflığını bundan daha net bir şekilde gösteremezdi. Ama hepsi bu kadar değil.
1920'lerden beri çağrıldığı şekliyle dalga-parçacık ikiliği bilmecesi. kuantum mekaniğinin anlamı hakkındaki teorik tartışmaların merkezinde yer alır. Kuantum mekaniğinin temelleri hakkındaki teorileştirmelerin çoğu fizikçileri teselli etti, bunu daha sonra tartışacağım. Ancak gizemin kendisi, tüm ihtişamıyla, 1970'lerde başlayan bir dizi güzel deneyde ön plana çıkarıldı, bu yüzden yarım asırlık teselli arayışını atlayacağım ve size bu merkezi gizem hakkında modern gerçekler vereceğim. Aşağıdaki sunumu kabul etmekte zorlanıyorsanız, unutmayın ki Mark Twain'in dediği gibi "gerçek, kurgudan daha inanılmazdır, çünkü kurgu olasılık çerçevesinde kalmalı ama gerçek kalmamalı."
1974'te üç İtalyan fizikçi - Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli ve Giulio Pozzi - süreci gözlemlemek için iki elektron deliği deneyine eşdeğer bir yöntem geliştirdiler. Bir ışık huzmesi yerine, bir filamandan yayılan bir elektron demeti kullandılar. Işın, elektron biprizması adı verilen bir cihazdan geçirildi. Elektronlar biprizmaya tek bir girişten girerler ve orada bir elektrik alanıyla karşılaşırlar, bu da ışını ikiye böler: elektronların yarısı bir çıkıştan, diğer yarısı da ikinciden çıkar. Sonuç olarak, her elektronun etkisinin beyaz bir nokta bıraktığı bilgisayar ekranına benzer bir dedektör ekranına çarptılar. Bu noktalar bir süre ekranda görünür durumda kalır, böylece deney düzeneğinden geçen elektron sayısı arttıkça ekranda düzenli bir örüntü oluşur.
Biprizmaya tek bir elektron gönderildiğinde, her iki çıkıştan da 50/50 olasılıkla uçar ve ekranda bir nokta bırakır. Düzeneğin içinden bir elektron ışını geçerse, ekranda üst üste binen birçok nokta bırakırlar ve bunlar bir desen oluşturur - dalgaların karakteristik bir girişim deseni.
Kendi başına, bu hiçbir şey ifade etmiyordu. Elektronlar parçacık olsalar bile, ışında birçoğu vardır ve kurulumdan geçerken iyi etkileşime girebilir ve bir girişim modeli oluşturabilirler. Sonuçta, suyun yüzeyindeki dalgalar da girişim desenleri oluşturur ve su, parçacık olarak düşünülebilecek moleküllerden oluşur. Ancak hepsi bu değildi.
İtalyan deneyi o kadar kesindi ki, elektronlar yoğun bir havaalanından kalkan uçaklar gibi birbiri ardına ateşlenebiliyordu. Ve uçan uçaklar gibi, elektronlar önemli bir aralıkla birbiri ardına uçtu. Elektron kaynağından (basit bir filamandan biraz daha ustaca düzenlenmişti) dedektör ekranına olan mesafe 10 m idi ve bir sonraki elektron kaynağı ancak selefi hedefine ulaştıktan sonra terk etti. Ekranda bir model oluşturmak için binlerce elektron birbiri ardına ateşlendiğinde ne olduğunu muhtemelen şimdiye kadar tahmin etmişsinizdir. Üzerinde bir girişim deseni belirdi! Ve eğer bu resmi oluşturmak için tek tek parçacıkların birlikte hareket ettiğini varsayarsak, tıpkı bir havuzdaki etkileşimli su molekülleri gibi, o zaman aralarındaki etkileşim sadece uzayda değil, aynı zamanda zamanda da gerçekleşmelidir. Böyle bir deney "çift yarık tek elektron kırınımı" olarak bilinmeye başlandı.
Elektronlar, ışıkla yapılan çift yarık deneyinde olduğu gibi teker teker ateşlenirse, her biri dedektör ekranında bir ışık zerresi bırakacaktır. Zamanla noktalar birikir ve sanki elektronlar dalgaymış gibi bir girişim deseni oluşturur (sonraki şekle bakın).
İtalyan ekibi 1976'da şaşırtıcı sonuçlarını yayınladı, ancak bilim dünyasında "dalgayı oluşturmadı". O zamanlar, çok az araştırmacı kuantum mekaniğinin nasıl çalıştığını önemsiyordu - asıl mesele onun çalışması, yani denklemlerin hesaplamalar için kullanılabilmesi ve deneylerin sonuçlarını doğru bir şekilde tahmin edebilmesidir. Ve bir elektronun veya bir elektron demetinin A noktasından B noktasına tam olarak nasıl geldiği, örneğin bir TV seti tasarlayan bir mühendis için önemli değil. Arabalarının kaputunun altında ne olduğunu umursamayan, nesli tükenmekte olan yarış arabası sürücüleri ile bir benzetme yapabilirsiniz - sadece pistte, turdan tur, yüksek hızda koşarlar. Hâlâ kuantum mekaniğinin denklemlerinin neden çalıştığını anlamak isteyen öğrencilere profesörler tarafından ironi olmadan verilmeyen tek tavsiye, daha önce bahsettiğim "sus ve say" tavsiyesiydi, yani denklemleri kullan ve ve ne hakkında olduğunu düşünmemek anlamına gelir.
Amerikan Fizik Dergisi (1989)
1980'lerde, bu pozisyon, özellikle "İkinci Adım" bölümünde anlatacağım yeni keşifler nedeniyle, giderek daha fazla soruyu gündeme getirmeye başladı. Akira Tonomura liderliğindeki bir grup Japon bilim adamı, yeni teknik yetenekler kullanarak bir dizi benzer deney yaptığında, 1989'da yayınlanan sonuçları çok daha fazla gürültü yaptı. 2002'de Physics World okuyucuları, çift yarık elektron kırınım deneyini "fizikteki en güzel deney" olarak adlandırdı.
Bilim adamlarına yakışmayan bir detay vardı. Elektron biprizması ile yapılan deneylerde, ışıkla yapılan klasik çift yarık deneyindeki ilk ekrana benzer fiziksel bir engel yoktu. Kurulum boyunca her iki yol da, her iki "kanal" da her zaman açıktı. Ve 2008'de Pozzi, başka bir meslektaş grubuyla birlikte bir sonraki adımı attı. Bilim adamları, elektronların ince bir ekranda iki gerçek nano ölçekli fiziksel yarıktan birer birer ateşlendiği ve diğer taraftan olağan şekilde kaydedildiği bir deney yaptılar. Beklendiği gibi, dedektöre giren elektronlar bir girişim deseni oluşturdu. İtalyan ekibi bir yarığı kapatıp deneyi tekrar yaptığında, girişim deseni yoktu. Bunun yerine, detektör ekranında yarığın hemen arkasında bulunan basit bir ışık noktası oluştu, tam olarak bir parçacık akışından beklenebilecek olan şey. Ancak, tek başına duvardaki bir delikten geçen tek bir elektron, yakınında prensip olarak geçebileceği başka bir delik olup olmadığını ve yörüngesini buna göre değiştirmek için açık veya kapalı olup olmadığını nasıl "bilebilir"?
Bir sonraki adım teoride açıktı, ancak pratikte uygulanması inanılmaz derecede zordu. Elektron uçarken açılıp kapanabilen iki nano ölçekli deliği olan bir tesis inşa etmeleri gerekiyordu. Elektronlar yola çıktıktan sonra tesisin konfigürasyonunu değiştirerek onları kandırmak mümkün müdür? Bu zorlu görev, Hollanda doğumlu Herman Batelaan liderliğindeki ABD'li bilim adamlarından oluşan bir ekip tarafından üstlenildi. Araştırmacılar sonuçlarını 2013 yılında yayınladılar. Deneylerini Kindle için yayınlanan “The Quantum Mystery” makalesinde anlattım. Kesin rakamlar verdiği için bu açıklamayı geliştiremeyeceğim ve burada tam olarak vereceğim.
Deneyciler altın kaplı silikon zarda iki kesim yaptı. Membranın "kalınlığı" (veya daha doğrusu "inceliği") sadece 100 nm, altın kaplamanın kalınlığı 2 nm idi. Her yarık 62 nm genişliğinde ve 4 um uzunluğundaydı (bir nanometre metrenin milyarda biridir, mikrometre milyonda biridir). Bu paralel yarıklar birbirinden 272 nm uzaklıkta yerleştirilmiştir (mesafe bir yarığın merkezinden diğerinin merkezine kadar ölçülmüştür). Cihazın temelde önemli bir eklentisi vardı: otomatik bir mekanizma (piezoelektrik tahrikli), küçük bir deklanşörü zar boyunca hareket ettirebilir ve bunun yardımıyla bir veya başka bir yuvayı bloke edebilir.
Deney sırasında, enstalasyonun içinden saniyede bir elektron geçti ve ekrandaki her resmin oluşumu iki saat sürdü. Süreç videoya kaydedildi. İlgili bir dizi çalışmada, araştırma ekibi her iki yarık açıkken, biri kapalıyken ve diğer yarığı kapatmak için panjur hareket ettirildiğinde neler olduğunu gözlemledi. Her iki yarık da açıkken ekranda oluşan örüntü beklendiği gibi bir girişim örüntüsüydü, ancak her iki durumda da yarıklardan yalnızca biri kaldığında hiçbir şey gözlemlenmedi. Bir kez daha, elektronlar kaç tane yarığın açık olduğunu "biliyorlardı" - İtalyan ve Japon bilim adamlarının deneyleriyle ortaya çıkan (veya belki de söylemek daha iyi olur - onaylanan) diğer gizemlerin yanı sıra. Her elektron, yalnızca deney düzeneğinin içinden geçtiği andaki konfigürasyonunu değil, aynı zamanda önünden uçan ve daha sonra uçan elektronlara ne olduğunu da "biliyor" gibiydi.
Richard Feynman, bu fenomeni anlatılan olaylardan yarım asır önce tahmin etmişti. Bilim adamlarının ışığın davranışı hakkında o zamana kadar bildiklerine ve elektron dalgalarının keşfine dayanarak, hayal gücünde elektronlarla bir çift yarık deneyi kurdu. Lectures on Physics'te Feynman, "gerçekte denememeniz gereken" bir düşünce deneyini tanımladı çünkü "ilgilendiğimiz etkileri göstermek için, inanılmaz derecede küçük bir ölçekte kurulması gerekir." 1965'te imkansız olan şey, 2013'te mümkün oldu. Bu, elbette, diğer şeylerin yanı sıra nanoteknoloji ile yakından ilgilenen Feynman'ı memnun edecektir. Batelaan ve meslektaşlarının açıkladığı gibi, "Feynman'ın düşünce deneyini tam anlamıyla uygulamayı" başardılar. Deneyleri gerçekten de kuantum dünyasının merkezi gizemini, "kuantum fiziğinin özünü... tek ve tek gizemi" ortaya çıkardı. Ama dünyanın nasıl bu kadar düzenlenebileceğini kimse bilmiyor.
ikinci adım
Karışık web
Devam etmeden önce, iki delikli deneyden bir ders daha almak önemlidir. Sadece elektronlar ve benzeri nesneler aynı anda dalgalar ve parçacıklar gibi davranmıyor. Görünüşe göre tesisattan dalgalar gibi geçiyorlar ve dedektör ekranına parçacıklar halinde ulaşıyorlar. Bazen dalga , bazen de parçacık gibi davranırlar . Bu açıklama - sanki - burada çok önemlidir. Kuantum nesnelerinin gerçekte ne olduğunu bilmemizin hiçbir yolu yok çünkü biz kendimiz kuantum nesneleri değiliz. Deneyimden bildiklerimizle analojiler kurabiliriz ve bunlar dalgalar ve parçacıklardır. Daha 1929 yılında, fizikçi Arthur Eddington buna çok dikkate değer bir şekilde dikkat çekmişti. The Nature of the Physical World adlı kitabında şunları yazdı:
Bilinen hiçbir kavram elektronun etrafına dokunamaz... bizim bilmediğimiz bir şey anlaşılmaz bir şey yapar. Böyle bir formülasyon, özellikle anlaşılır bir teoriye benzemez. Daha önce bir yerde buna benzer bir şey okumuştum. Kulağa şöyle geliyor -
FLAŞ ŞORKASI
NAVA ÜZERİNDE YÜRÜMEK .
Belki de dalgalar ve parçacıklar gibi davranan elektronları düşünmektense, çift delikli deneyde nefe saplanan dayanıksız şortları düşünsek gerçekten daha iyi olurdu. Sunumu karıştırmamak için, tartışılan kuantum dünyasının olayları veya nesneleri ile her zaman "sanki" yan tümcesine önsöz yazmayacağım. Doğru yerde olduğunu düşün.
Gerçekten de, "delme", elektronların ve diğer parçacıkların temel bir kuantum özelliğine atıfta bulunmak için yaygın olarak kullanılan terimden daha iyi bir terim olabilir - genellikle "spin" veya daha basit bir şekilde dönüş olarak anılır. Tabii ki spin, tıpkı bir dalga veya parçacık gibi rahat ve tanıdık bir kavramdır ve bir o kadar da yanıltıcıdır. Bir yandan, denklemler bize herhangi bir kuantum nesnesinin, fiziksel anlamda ne anlama geliyorsa gelsin, orijinal konumuna geri dönmek için iki kez dönmesi gerektiğini söylüyor (bu olayı kesinlikle hayal edemiyorum). Ancak spin, birçok kuantum olgusunu tartışırken yararlı bir özelliktir çünkü iki değer alabilir; "yukarı" ve "aşağı" yönlendirilmiş olarak temsil edilebilirler ve pozitif ve negatif dönüş olarak gösterilebilirler. Bu, aksi takdirde canavarca karmaşık olabilecek birçok konunun ele alınmasını basitleştirir.
Örneğin, olasılığı ele alalım. Kuantum mekaniği bağlamında, sağlam bir matematiksel temele dayanan olasılık fikri, Alman fizikçi Max Born tarafından ortaya atıldı. Matematiğe girmeden, bir elektronun dönüşü (veya Eddington'ın söylemeyi tercih etmiş olabileceği gibi, köpekbalıklarının delinmesi) açısından bu fikrin önemini takdir edebiliriz. Kuantum mekaniğinin denklemlerini kullanarak, bir atomun uzaya uçan bir elektron yaydığı bir düşünce deneyini tanımlayabilirsiniz (gerçekte bu, beta bozunması adı verilen bir süreçtir). Bir elektronun pozitif veya negatif bir dönüşü vardır. Bunu önceden belirlemek imkansızdır, şans eşittir - 50/50. Deneyi bin kez (veya aynı anda bin atomla) yaptıktan sonra, pozitif spinli 500 elektron (belki biraz daha fazla veya biraz daha az) ve negatif spinli 500 elektron sayacağız. Tek bir elektronu yakalayıp spinini ölçebilirsiniz, o ana kadar bu spinin ne olacağını söylemek imkansızdır.
Şimdiye kadar, şaşırtıcı bir şey yok. Ancak Einstein, zıt yönlerde uçan iki elektron söz konusu olduğunda, kuantum teorisinin denklemlerinin şaşırtıcı bir şeyi öngördüğünü fark etti . Belirli durumlarda, bu elektronların zıt dönüşlere sahip olması gerektiğine göre (biri pozitif, diğeri negatif, sonuç olarak birbirlerini yok ederler) koruma yasası burada geçerlidir. Bununla birlikte, denklemler, elektronların bir atomdan dışarı uçtuğunda, belirli bir dönüşlerinin olmadığını göstermektedir. Sözde süperpozisyondalar - "pozitif dönüş" ve "negatif dönüş" durumlarının bir karışımı. Bir elektron, yalnızca başka bir şeyle etkileşime girdiğinde hangi durumu üstleneceğine "karar verir". Einstein şuna dikkat çekti: Eğer iki elektronun her zaman zıt spinleri olması gerekiyorsa, o zaman birinci elektron spininin pozitif bir değere sahip olacağına "karar verdiği" anda, ikinci elektron birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun negatif bir spin elde etmelidir. olabilir Einstein buna "uzun menzilli ürkütücü eylem" adını verdi çünkü ilk bakışta elektronların birbirleriyle ışık üstü bir hızda iletişim kurması gerekiyor gibi görünüyordu, bu da özel görelilik kuramını geçersiz kılıyordu.
Einstein'ın fikri geliştirildi ve Boris Podolsky ve Nathan Rosen tarafından bir makale şeklinde sunuldu, 1933'te yayınlandı (ancak bazıları, makale kötü bir şekilde yazıldığı için Einstein'a yardımcı olmaktan çok onu engellediğine inanıyor. ifade). Yazarların baş harfleriyle, EPR makalesi olarak bilinir ve ana fikri EPR paradoksu olarak bilinir, ancak bu hiç de bir paradoks değil, sadece kafa karıştırıcı bir sorudur. 1935'te başka bir ünlü paradoksu ortaya koyan Schrödinger, iki kuantum sisteminin ürkütücü uzun menzilli eylemle birbirine bağlanmasına "dolaşma" adını verdi. EPR makalesinde, kuantum teorisinin [ikinci sistemin özelliklerinin] gerçekliğini “birinci sistem üzerinde gerçekleştirilen ölçüm sürecine bağlı olarak, ancak bu süreç ikinci sistemi hiçbir şekilde etkilemese de” ifade ettiği belirtildi. Görünen o ki, gerçekliğin hiçbir makul tanımı buna izin vermemelidir . Yazarlar şu sonuca vardılar: "Fiziksel gerçekliğin kuantum mekaniksel tanımının... tam olmadığı sonucuna varmak zorundayız . " Einstein, gizli değişkenler olarak bilinen bazı temel mekanizmaların olması gerektiğine inanıyordu, bu sayede kaynaktan farklı yönlerde uçan elektronlar, dönüş değerini - pozitif veya negatif - seçme fırsatından mahrum kalıyor. Her şey önceden belirlenmiş.
EPR makalesinin yayımlanması uzmanlar arasında şiddetli tartışmalara yol açtı, ancak dolaşıklığı ve sonuçlarını anlamadaki gerçek atılım otuz yıl sonrasına kadar gerçekleşmedi ve büyük ölçüde zamanının en önde gelen matematikçilerinden biri olan John von Neumann'ın EPR makalesinin yayınlanmasından önce 1932'de ışık gören kuantum mekaniği üzerine önemli bir kitaptaki bir hata. Bu kitapta von Neumann, gizli değişken teorilerinin kuantum dünyasının davranışını açıklayamadığına, bu tür teorilerin imkansız olduğuna dair bir "kanıt" verdi. Bilimsel otoritesi o kadar yüksekti ki, matematiksel hesaplamalara bakmadan herkes ona inandı. Daha doğrusu, neredeyse her şey. Genç bir Alman araştırmacı olan Greta Herman, muhakemesinde bir hata keşfetti ve 1935'te fizikçilerin okumadığı felsefi bir dergide bunun hakkında yazdı. Uzmanlar bu yayını çok sonra keşfetti. Teselli 2'de, bu hatanın "imkansız" gizli değişken teorileri üzerinde çalışmayı tamamen durdurmadığını açıklayacağım, ancak 1960'ların ortalarına kadar bir fizikçi von Neumann'ın argümanlarına yakından bakıp onlarda neyin yanlış olduğunu gösterdi. . Einstein, gizli değişkenlerin dirilişinden hoşlanmamış olabilir, çünkü aynı fizikçi, tüm bu tür teorilerin, Einstein'ın gerçekten hoşlanmadığı ve daha resmi bir dille yerel olmama olarak adlandırılan o çok ürkütücü uzun vadeli eylemi içermesi gerektiğini kanıtladı.
John Bell
Lejyon Medyası
Bu fizikçi, CERN'den (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü) izin aldıktan sonra kendisine ilginç gelen bir şey üzerinde çalışmak üzere birkaç aylığına ABD'ye giden John Bell'di. Günlük çalışmadaki bu kesintiden kaynaklanan iki makale, kuantum dünyası hakkındaki "bilinen" gerçekleri, parçacık-dalga ikiliğinin keşfinden bu yana her şeyden daha önemli ölçüde değiştirdi. İlk olarak Bell, von Neumann'ın muhakemesinde neyin yanlış olduğunu açıkladı. Ardından, ilke olarak, yerel olmama etkilerinin varlığını test edecek bir deneyin nasıl tasarlanabileceğini gösterdi. Daha doğrusu, bu deney "yerel gerçeklik" varsayımını test edecektir. Buradaki "yerel" tanımı, ürkütücü bir uzun menzilli eylem olmadığını söylüyor: nesneler diğer nesneleri yalnızca ışığın belirli bir zamanda kat edebileceği mesafe olarak tanımlanan konumlarında etkiler. "Gerçeklik", kimse ona baksa da bakmasa da, ölçse de ölçmese de gerçek dünyanın var olduğu kavramıdır. Kuantum dünyasının olasılıksal doğası nedeniyle, Bell'in önerdiği deney, tesisten geçen çok sayıda parçacık çiftinin (elektronlar veya fotonlar gibi) ölçülmesini gerektirecektir. Bu varsayımsal deney, çok sayıda çalışmadan sonra iki ölçüm seti elde edilecek şekilde tasarlanmıştır. Bir sayı kümesi diğerinden daha büyük olsaydı, bu, yerel gerçeklik varsayımının doğru olduğunu kanıtlardı. Bu ilişki Bell'in eşitsizliği olarak bilinir ve bununla ilişkili fikirlerin karmaşıklığı Bell'in teoremi olarak bilinir. Bell'in eşitsizliğinin aksine, başka bir sayı kümesinin daha büyük olduğu ortaya çıkarsa, bu, yerel gerçeklik hipotezinin yanlış olduğu anlamına gelir. Kuantum mekaniği doğruysa, Bell eşitsizliği ihlal edilmelidir. Ya dünya gerçektir, ama içinde ürkütücü uzun menzilli aksiyon vardır ya da yereldir, ancak kimse gözlemlemiyorsa hiçbir şeyin gerçek olmaması şartıyla.
Fizikçiler bu yolu daha önce denediler, ancak çoğu bunun farkında bile değildi. Robert Hooke ve Isaac Newton 17. yüzyılda yerçekimi hakkında fikirlerini geliştirdiklerinde, Ay'ın Dünya'nın etrafında onları bir araya getiren bir kuvvet tarafından yörüngede tutulduğunu ve gezegenlerin Güneş etrafındaki yörüngelerinde Dünya'nın yörüngesinde tutulduğunu anladılar. aynı kuvvet. Hooke ve Newton, uzaktan eylemden bahsettiğimizi anladılar ve bu uzun menzilli eylemi "ürkütücü" olarak tanımlamadılar. Nasıl çalıştığına dair hiçbir fikirleri yoktu, bu yüzden Newton bu tür soruları ünlü Latince Hipotez olmayan fingo cümlesiyle yanıtladı ("Ben hipotez icat etmiyorum", yani "yerçekimi hakkında benim kadar iyi tahmin edebilirsiniz"). Yerçekiminin uzaktan hareketi onu, kuantum uzun menzilli hareketinin bizi şaşırttığı gibi şaşırttı. XX yüzyılda. Genel görelilik teorisini geliştiren Einstein, yerçekiminin belli bir mesafeden etki etmesi fikrini, maddenin varlığından kaynaklanan uzay dokusunun eğriliği fikriyle değiştirdi. bu fikir hala bazılarına ürkütücü geliyor). Belki de gelecekteki bir Einstein, bir gün ürkütücü kuantum uzun menzilli eylemi daha az ürkütücü bir fikirle değiştirecektir. Her durumda, deneyler bu olgunun kendisinin gerçek olduğunu zaten kanıtladı.
Bell'in önerdiği deney, 1960'ların ortalarında mevcut olmayan teknik çözümler gerektiriyordu ve fizikçi bunun gerçekleştirildiğini görmeyi beklemiyordu. Ancak bu deneyler 1980'lerin başında gerçekleştirildi. (elektronlar yerine fotonlar kullanarak). Sonuç olarak, Bell eşitsizliğinin ihlal edildiği kanıtlanmıştır. O zamandan beri, bu, giderek daha karmaşık hale gelen teknik temelde birçok benzer deneyle doğrulandı.
Yerel gerçeklik, dünyamızın güvenilir bir tanımı değildir. John Bell'in kendisi 1990'da Cenevre'deki bir konferansta şunları söyledi: "Kuantum mekaniği ile çalışan herhangi bir yerellik kavramının farkında değilim. Bu yüzden yerel olmamaya mahkum olduğumuzu düşünüyorum.” Einstein, "gerçekliğin makul bir tanımının" buna izin vermeyeceğini düşünmüş olabilir, ancak biz, kendi sözleriyle gerçekliğin makul olmadığı sonucuna varmak zorunda kalıyoruz. Ancak, en etkileyici özellik genellikle gözden kaçar. Bell teoreminin başlangıç noktası kuantum fiziğini anlama girişimi olmasına ve yukarıdaki sözler kuantum fiziği üzerine bir konferansta söylenmesine rağmen, sonuçlar sadece bu bilimin alanında değildir. Tüm dünyaya - Evrenimize atıfta bulunurlar. Bir gün başka bir şeyin dünyamızın bir tanımı olarak kuantum fiziğinin yerini alabileceğini düşünüp düşünmemeniz önemli değil. Deneyler, yerel gerçekliğin evren için geçerli olmadığını göstermektedir. Kendinizi gerçeklikle avutup yerel olmamayı kabul etmeyi mi yoksa yerelliği koruyarak gerçekliği reddetmeyi mi tercih edeceğiniz, daha sonra göreceğimiz gibi, kişisel bir tercih meselesidir. Ancak ikisini birden tutmak imkansızdır (yine de prensip olarak beyne gerçekten zarar vermek istiyorsanız ikisini birden reddedebilirsiniz ). Ancak kaynayan beyinlerimiz için bir teselli aramadan önce belki de dolanıklığın öyküsünü günümüze taşımakta fayda var, çünkü ondan pek çok ciddi pratik uygulama çıkıyor.
Bunlar, özellikle kuantum ışınlanmasını içerir. Bu fenomen, iki kuantum nesnesi, örneğin iki foton birbirine dolanırsa, ne kadar uzakta olursa olsun, birinin başına gelenin diğerini mutlaka etkileyeceği deneysel olarak kanıtlanmış bir gerçeğe dayanmaktadır. Özünde, bunlar tek bir kuantum nesnesinin ayrı parçalarıdır. Kuantum ışınlama, bilgileri ışık hızından daha hızlı iletmek için kullanılamaz, çünkü her bir parçacığa ne olacağı olasılık ve şans içerir. Bir foton rastgele bir kuantum durumuna aktarılırsa, ikincisi aynı anda başka bir kuantum durumuna geçer. Ancak ikinci fotonun yakınındaki herhangi bir gözlemci, yalnızca olasılık kurallarına uyan rastgele bir durum değişikliği görecektir. Bu değişimin herhangi bir bilgi iletebilmesi için, ilk fotonun hal değiştirmesine neden olan kişi -her kimse- gözlemciye geleneksel yöntemlerle (ışık hızından daha yavaş) bir mesaj göndererek neler olduğunu anlatmalıdır. Ancak bir foton üzerinde belirli bir şekilde hareket ederseniz, ikinci foton birincinin tam bir kopyasına dönüştürülebilir (bazen klon olarak adlandırılır), birinci fotonun durumu rastgele hale getirilir. Hatta ilk fotonun ikincisinin olduğu yere ışınlandığı ortaya çıktı. Fakat bu durumda birinci fotonun hali kaybolacağı için bu işleme duplikasyon denemez. Ve yine, onu tamamlamak için, gözlemciye bir tür "ışık altı" iletişim yoluyla bilgi göndermek de gereklidir. Işınlanma, bilginin iletilmesine izin verir, ancak hem bir iletişim "kuantum kanalı" hem de bir "klasik kanal" gerektirir.
Bilim adamlarının büyük çabaları, bu tür sistemlerin yaratılmasına yöneldi, çünkü böyle bir teknoloji gelecekte hem iş dünyası hem de hükümet için gerekli olan temelde kırılmaz şifrelerin yaratılmasını vaat ediyor. Kuantum kanalına kulak misafiri olmaya yönelik herhangi bir girişim, iletilen verileri bozacak, işe yaramaz hale getirecek ve müdahale gerçeğini ortaya çıkaracaktır. Ve birisinin geleneksel kanalı dinlemeyi başarması da önemli değil: kuantum kriptografi notu uzmanları olarak, içeriği tüm ilgili taraflar için gazetelerde yayınlanabilir veya sosyal ağlarda yayınlanabilir. Şifrelenmiş bilgileri okumak için her iki kanal da gereklidir. Buna ek olarak, dolaşıklık kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde önemli bir rol oynuyor - bu günlerde büyük ilgi görüyor. Araştırmacılar, kuantum hesaplama, dolaşıklık ve ışınlamanın bilginin tamamen güvenli bir şekilde iletilmesini sağlayacağı tamamen güvenli bir kuantum internet hayal ediyor.
Bu tür deneyler çoktan laboratuvarların duvarlarını aşarak büyük dünyaya - ve hatta onun ötesine geçmiştir. 2012'de bir grup Çinli bilim adamı kuantum bilgisini Qinghai Gölü boyunca 97 km mesafeye ışınladı. Aynı yıl bir grup Avrupalı bilim insanı, Kanarya takımadalarındaki Palma ve Tenerife adaları arasında 143 km mesafeye fotonları ışınladı. Parantez içinde belirttiğimiz her iki deney de Bell'in eşitsizliğinin ihlal edildiğini doğruladı; bu gerçek, fizikçiler tarafından elmanın ağaçtan yere düşmesi kadar doğru kabul ediliyor.
Kanarya Adaları'ndaki deney, deniz seviyesinden yaklaşık 2400 m yükseklikte dağlardaki yer istasyonlarını içeriyordu; burada seyreltilmiş hava, atmosferik paraziti önemli ölçüde azaltır. Yukarıda, hava daha da nadirdir ve Palma adasının 143 km'den daha az yukarısında, uzayın sınırı başlar. 2016 yılında Çin, Mo Tzu uydusunu (adını eski bir Çinli filozoftan almıştır) yörüngeye fırlattı ve birbirine dolanmış foton çiftlerini birbirinden 1.200 km uzaklıktaki Tibet dağlarının yüksekliğindeki iki istasyona gönderdi. Ve uydu 8 km/s'ye yakın bir hızla hareket etmesine rağmen foton ışınları tam olarak hedefe yönlendirilmişti. Fotonların davranışı, kimseyi şaşırtmayan Bell teoremini izliyordu, ama aslında bu, modern teknolojinin gerçek bir zaferiydi. Bu tür ekipmanlar yalnızca geceleri çalışır, çünkü güneş ışığı dedektörleri kör eder ve uydudan gönderilen her altı milyon fotondan yalnızca biri yerde "yakalanabilir" (neyse ki fotonlar artık ucuzdur). Bununla birlikte, gün içinde bile yakalanabilecek (bir kuantum iletişim ağının temeli olacak) daha güçlü foton kaynaklarına sahip bir uydu takımyıldızı oluşturma ve Dünya'dan uyduya fotonları ışınlama planları zaten var. . Siz bunu okuduğunuzda, muhtemelen bu alanda yeni gelişmeler ve yeni bilimsel başlıklar olacak. Ancak teknisyenler "sus ve say" kuralını izlemeye devam edebilirlerse, o zaman fizikçiler bunun ne anlama geldiği - dünyanın neden böyle olduğu konusunda kendi aralarında anlaşamazlar .
Bilim adamlarının teselli aradığı çeşitli alanlara daha yakından bakmanın zamanı geldi. Ama dünyaya geri dönelim ve her elektronun o anda kaç deliğin açık olduğunu ve nereye gittiğini "bildiğini" gösteren iki delikli deneyi hatırlayalım. Belki de burada da mesele karışık değil - kötü şöhretli korkunç uzun menzilli eylem? Zıt yönlerde uçan bir çift foton esasen tek bir kuantum sisteminin parçasıysa, o zaman bir çift yarık deneyi düzeneğinin tamamını ve bir elektronu (veya tüm elektronları?) tek bir kuantumun parçaları olarak düşünmek mümkün değil midir? sistem? Belki de elektron hangi deliklerin açık olduğunu biliyordur çünkü deliklerin durumu da elektronun durumunun bir parçasıdır. Bununla birlikte, fizikçiler ilk kez kuantum mekaniğinin birkaç on yıl boyunca genel olarak kabul edilen yorumlarından birinde teselli bulmaya çalıştıklarında, dolaşıklık kavramı hala bilinmiyordu.
Teselli 1
Pek de güzel olmayan Kopenhag yorumu
On yıllardır fizikçilere hakim olan kuantum mekaniğinin yorumu, dalgalar fikrine ve büyük ölçüde "sanki" yan tümcesinden ayrılmaya dayanmaktadır. 1920'lerde fizikçiler, kuantum dünyasının iki matematiksel yöntemden biri kullanılarak tanımlanabileceğini zaten biliyorlardı. Bunlardan ilki, ifadesini Schrödinger denkleminde bulan dalga etkileşimlerini ele alıyordu. Yalnızca tablolar (matrisler) biçimindeki sayılarla çalışan ikinci yöntem, Werner Heisenberg ve Paul Dirac'ın çalışmasına dayanıyordu. Her iki yöntem de aynı yanıtları verdi ve hangisinin kullanılacağı bir zevk ve kişisel tercih meselesiydi. Fizikçilerin çoğu dalga denklemlerine zaten aşina olduklarından çoğunlukla onlar seçilmişti. Ancak herhangi bir kuantum hesabında, sistemin iki durumu arasındaki oran hesaplanır. Bu durumda, sistem bir elektron, iki delikli bir deney veya (prensipte) tüm Evren ve ayrıca elektron ile Evren arasındaki herhangi bir ara varyant olabilir. A durumundaki bir sistemi tanımlayan bir dizi parametreniz varsa, bu sistemin bir süre sonra B durumunda olma olasılığını hesaplayabilirsiniz. Ancak bu iki an arasında neler olduğu hakkında hiçbir bilginiz yok.
Bir arketip örneği, bir atomdaki bir elektrondur. Bazı durumlarda, sanki (yine bu uyarı) elektronlar farklı enerji değerlerine karşılık gelen dairesel yörüngelerdeymiş gibi hesaplamalar yapmak mümkündür. Bir atom ışık şeklinde enerji yayarsa, bir elektron bir yörüngeden kaybolur ve atomun çekirdeğine daha yakın olan başka bir yörüngede yeniden ortaya çıkar. Bir atom ışığı emerse, elektron yörüngesinden kaybolur ve atomun çekirdeğinden daha uzak bir mesafede yeniden ortaya çıkar. Bu durumda, elektron bir yörüngeden diğerine hareket etmez. O sadece buradaydı ve şimdi orada. Bu fenomen kuantum sıçraması olarak bilinir . Schrödinger'in hesaplamalarına göre dalga teorisinin böyle bir sıçrama sırasında neler olduğunu açıklaması gerekirdi ama bu başarısız oldu ve araştırmacı şöyle dedi: "Eğer bu lanet olası kuantum sıçramaları sonsuza kadar bizimle kalırsa, muhtemelen kuantum teorisine bulaştığıma bile pişman olurum. ” . Geriye sadece ünlü fizikçiye sempati duymak kalıyor - kuantum sıçramaları ortadan kalkmadı ve gitmeyecek. Matris yaklaşımı daha dürüsttür: bize A ve B durumları arasında ne olduğunu söyleme sözü vermez, ancak Schrödinger denkleminden daha az rahatlatıcıdır.
Niels Bohr
Lejyon Medyası
Onlarca yıldır kabul gören bu kuantum dünyası görüşü, Niels Bohr'un bu şehirde yaşadığı için kuantum mekaniğinin "Kopenhag Yorumu" (CI) olarak biliniyor. Werner Heisenberg tarafından icat edilen isim Max Born'u ciddi şekilde rahatsız etti: Bohr'un grubunun bir parçası değildi ve Kopenhag'da çalışmadı, ancak kuantum olasılığı fikri bu yorumun bir parçası oldu. Ancak, 1920'lerin sonunda. Niels Bohr, kuantum fiziği tartışmalarına hakim oldu ve konu isimle sınırlı değildi. Bohr, alternatif (oldukça geçerli) yorumu o kadar yıktı ki, neredeyse yirmi yıl boyunca unutuldu. Biraz sonra bu teoriyi Teselli 2 olarak sunacağım.
Bohr, ne anlama geldiği konusunda fazla endişelenmeden çeşitli fikir kırıntılarından çalışan bir teori oluşturmaya hazır bir pragmatistti. Sonuç olarak, Bohr 1927'de Como'daki bir konferansta -Kopenhag yorumunun bir isim kazanmasından çok önce- bunu duyurmaya çok yakın olmasına rağmen, CI'nin açık ve kesin bir formülasyonuna sahip değiliz. Como konferansı fizik tarihinde bir dönüm noktası oldu. Fizikçiler, kuantum mekaniğini atomları ve molekülleri içeren pratik problemleri çözmek için uygulayarak (örneğin kimya, lazerler ve moleküler biyoloji alanında) "susmak ve saymak" için gerekli araçlarla orada tanıştılar. temel dayanak ve anlam olgusu.
Bohr'un pragmatik yaklaşımı, yorumuna kadar uzanıyordu. Deney sonuçlarından başka bir şey bilmediğimizi söyledi. Ve sonuçlar, aslında neyi ölçmek istediğimize, yani doğanın kuantum dünyasına sormayı gerekli gördüğümüz sorulara bağlıdır. Bununla birlikte, bu sorular, atomların ve diğer kuantum nesnelerininkinden çok daha büyük bir ölçekte günlük varoluş deneyimimizle renklendirilir. Elektronları parçacık olarak kabul edebilir ve elektronu küçük bir bilardo topu olarak hayal ederken, elektronun momentumunu ölçerek bu hipotezi test etmek için bir deney inşa edebiliriz. Ölçümler alıyoruz ve - vay canına! – başarıyoruz, bu da elektronun bir parçacık olduğu hipotezini doğruluyor. Ancak elektronun bir dalga olduğuna inanan bir arkadaşımız bu dalganın uzunluğunu ölçmek için bir deney hazırlamış olsun. Ve - yapmalısın! - elektronun dalga doğası fikrini doğrulayan başarılı oldu.
"Ne olmuş yani," diye yanıtlıyor Bor bize. Bir elektronun siz parçacık ararken parçacıkmış gibi ya da dalga ararken dalgaymış gibi davranması, onun gerçekten biri ya da diğeri olduğu anlamına gelmez ; aynı zamanda. Neye bakarsan onu alırsın ve neye baktığın neye bakmaya karar verdiğine bağlıdır. CI'ye göre, elektronlar ve atomlar gibi kuantum nesnelerinin ne olduğunu ve kimse onları ölçmediğinde veya dilerseniz onlara bakmadığında ne yaptıklarını merak etmek anlamsızdır.
Her şey mantıklı olduğu sürece endişelenecek bir şey yok. Ama Bohr bizi çabucak bulanık sulara götürüyor. Burada olasılık devreye giriyor. Schrödinger, dalga denklemini önerdiğinde, bunun bir elektronun (ya da başka bir kuantum nesnesinin, elektron en basit örneğidir, onu bir örnek olarak kullanmak uygundur) gerçek bir tanımı olduğunu düşündü. Onun için elektron gerçekten de bir dalgaydı. Bununla birlikte, sopayı Schrödinger'den alan Bohr, diğer yöne koştu: Schrödinger dalga denklemini Max Born'un kuantum olasılığı hakkındaki fikirleriyle birleştirdi. Kuantum hesaplamaları söz konusu olduğunda işe yarayan (ve hala çalışan) çok garip, hatta biraz korkutucu bir karışım olduğu ortaya çıktı, ancak bunu düşünmeyi bırakır bırakmaz, hemen başınız ağrımaya başlar. Bu yeni tabloda, Schrödinger tarafından türetilen denklemin bir "olasılık dalgası" olarak kabul edilmesi önerilmekte ve belirli bir noktada bir elektron bulma şansı "dalga fonksiyonunun karesi" ile belirlenmektedir; bunun için dalgayı böyle tanımlayan denklem aslında her noktada kendisiyle çarpılır. Bir kuantum nesnesini ölçtüğümüzde veya gözlemlediğimizde, dalga fonksiyonu olasılıklar tarafından belirlenen bir noktaya "çöker". Ve bazı konumlar diğerlerinden daha olası olsa da, ilke olarak, dalga fonksiyonunun kapsadığı noktalardan herhangi birinde bir elektron görünebilir. İşte bu davranışın garipliğini vurgulayacak çok basit bir örnek.
Bir kutuya kilitlenmiş tek bir elektron düşünün. Olasılık dalgası, bu kutuyu eşit şekilde dolduracak şekilde yayılır, bu da kutunun içindeki herhangi bir noktada bir elektron bulma şansının tamamen aynı olduğu anlamına gelir. Kutuyu bir bölme ile ikiye bölün. Sağduyu bize elektronun şimdi kutunun yarısında olması gerektiğini söyler. Ancak Kopenhag Yorumu (CI), olasılık dalgasının hala kutunun her iki yarısını da doldurduğunu ve elektronun bölmenin her iki tarafında eşit olasılıkla bulunabileceğini belirtir. Şimdi kutuyu bölmenin ortasından kesip iki kutu alıyoruz. Birini laboratuvarda bırakacağız, ikincisi ise bir rokete yerleştirilip Mars'a gönderilecek. Bohr'a göre, bir laboratuvardaki bir kutuda veya Mars'taki benzer bir kutuda bir elektron bulma şansımız yine eşit - 50/50 - olacak. Şimdi laboratuvarda bırakılan kutuyu açalım. İçinde bir elektron buluruz ya da bulmayız ama dalga fonksiyonu yine de çökecektir. Laboratuardaki kutu boşsa, elektron Mars'tadır; elektron bulunursa, Mars'taki kutu boştur. Bu, elektronumuzun "her zaman" kutunun o yarısında veya şunda olduğunu söylemekle aynı şey değildir: CI, çökmenin yalnızca kutunun içeriği laboratuvarda kontrol edildiğinde meydana geldiğinde ısrar eder. Aynı anda hem canlı hem de ölü olan EPR paradoksu ve Schrödinger'in ünlü kedi bilmecesinin arkasındaki fikrin özü budur. Ama bu hikayeye girmeden önce, Kopenhag yorumunun iki delik deneyini nasıl açıkladığını görmek istiyorum.
Bana bir öğrenciyken öğretilen ve hala çok fazla kişiye kuantum mekaniğini "anlamanın" "tek" yolu olarak öğretilen CI'ye göre, bir kaynaktan - bir elektron tabancası - bir taraftan bir elektron yayılır. bir parçacık olarak kurulum. Ve anında bir “olasılık dalgasına” dönüşür, bu da enstalasyona yayılır ve diğer tarafından dedektör ekranına gider. Bu dalga tüm açık deliklerden geçer, kendi kendine müdahale eder (ya da etmez) ve dedektöre ulaştıktan sonra ekrana dağılmış bir olasılıklar modeli olarak görüntülenir. Bu anda dalga "çöker" ve tekrar ekrandaki konumu rastgele ancak bu olasılıklara göre belirlenen bir parçacığa dönüşür. Buna dalga fonksiyonunun "çökmesi" (çökmesi) denir: elektron bir dalga olarak hareket eder, ancak bir parçacık olarak yerine ulaşır.
Erwin Schrödinger
Lejyon Medyası
Ancak dalga, olasılıklardan daha fazlasını taşır. Bir kuantum nesnesinin hangi durumda olacağı konusunda bir seçimi varsa (örneğin, bir elektron pozitif veya negatif bir dönüşe sahip olabilir), bu durumların her ikisi de bir şekilde onun dalga fonksiyonuna dahil edilir. Böyle bir duruma "durumların üst üste binmesi" denir ve bir kuantum nesnesinin tespit edildiği veya başka bir nesneyle etkileşime girdiği anda kendisini içinde bulduğu durum, dalga fonksiyonunun çökme anında da belirlenir. Werner Heisenberg, 1955'te St. Andrews Üniversitesi'ndeki bir konferansta, "'olası'dan' gerçek'e geçişin gözlem eylemi sırasında gerçekleştiğini" söyledi.
Bu yöntem, sanki elektronlar ve benzeri nesneler aslında bu şekilde davranıyormuş gibi, kuantum davranışını hesaplamak için oldukça uygundur. Aynı zamanda, yöntem birçok zor soruyu gündeme getiriyor. Bunlardan biri, fizikçi John Wheeler tarafından tasarlanan sözde "gecikmeli seçim" deneyinde bulunur. Çift delik deneyinde birer birer ateşlenen fotonların dedektör ekranında hala bir girişim deseni oluşturduğunu söyleyerek başladı. Ancak CI'ye göre, delikli ekran ile dedektör ekranı arasına bir sonraki fotonun hangi delikten geçtiğini takip edecek bir cihaz yerleştirilirse, girişim deseni kaybolacak ve böylece her fotonun gerçekten sadece geçtiğini gösterecek. bir delikten. Gecikmeli seçimden bahsediyoruz çünkü fotonları iki delikli ekrandan geçtikten sonra gözlemleyip gözlemleyemeyeceğimize karar verebiliyoruz . Elbette insan tepkileri bunun için çok yavaş. Ancak bu tür deneyler, fotonlar delikli bir ekrandan geçtikten sonra monitörleri açan veya kapatan otomatik cihazlar kullanılarak gerçekleştirildi. Deneyler, fotonlar gözlemlendiğinde girişim deseninin gerçekten ortadan kalktığını gösteriyor; bu, her bir fotonun (veya karşılık gelen olasılık dalgasının) yalnızca bir delikten geçtiği anlamına geliyor - bu fotonu gözlemleme kararı, delikli ekranı geçtikten sonra verilmiş olsa bile. .
Wheeler, kozmik ölçekte benzer bir deneyi hayal etmeyi önerdi. Yerçekimsel merceklenme olgusu bilinmektedir: Kuasar gibi uzak bir nesneden gelen ışık, bir ara nesnenin, örneğin bir galaksinin yerçekimi tarafından odaklanır ve bu tuhaf yerçekimi merceğini iki (veya daha fazla) yoldan atlar. Sonuç olarak, Dünya'daki dedektörlerde nesnenin çift görüntüsü belirir. Prensip olarak, iki görüntü elde etmek yerine, farklı yollardan geçen ışığı karıştırmak ve farklı yörüngeler boyunca yerçekimi merceğini atlayan dalgaların bir girişim modelini elde etmek mümkün olacaktır. İki delikli deneyin bir tür uzay versiyonu. Ancak fotonları bir girişim deseni oluşturmadan önce gözlemleyebilir ve mercek çevresinde tam olarak nasıl hareket ettiklerini takip edebiliriz. Ardından, laboratuvar deneylerinin sonuçlarına bakılırsa, girişim deseni ortadan kalkmalıdır. Bir kuasarın bizden 10 milyar ışıkyılı uzaklıkta olduğunu ve yerçekimi merceği rolü oynayan bir galaksinin 5 milyar ışıkyılı uzaklıkta olduğunu varsayalım. Bilinen deneylere göre, bu fotonların milyarlarca yıl önce ve milyarlarca ışıkyılı uzaklıkta yaptıkları, burada ve şimdi ölçmeyi seçtiğimiz şeyden etkilenir. Ne oluyor? Wheeler'ın kendisinin de belirttiği gibi, "Kopenhag yorumu bize bu tür sorular sormamamızı söylüyor . " O o kadar harika değil, bu yüzden çok güzel.
Werner Heisenberg
Lejyon Medyası
Temel olarak CI, bir kuantum nesnesinin ölçülene kadar belirli bir özelliğinin olmadığını (hiçbir özelliği olmadığını) belirtir. Bu, bir boyutu neyin oluşturduğuna dair birçok soruyu gündeme getirir. İnsan aklını içermek zorunda mı? Ay kimse bakmadığında yerinde mi? Evren sadece insanlar onu fark edecek kadar zeki olduğu için mi var? Veya bir kuantum nesnesinin bir dedektörle etkileşimi de bir ölçüm olarak kabul edilebilir mi? Ve kuantum dünyası ile eski güzel Newton fiziğinin "klasik" dünyası arasındaki sınır bu iki uç noktanın tam olarak neresindedir? Schrödinger, bir kediyi öldürebilecek, ancak eşit derecede olası ( 50/50) durumların üst üste binmesi. Bu örneği genişleterek, odadaki dedektörün belirli bir elektronun dönüşünü ölçtüğünü hayal edin. Pozitif ise cihaz çalışacak ve kedi ölecektir. Negatif ise kedi tehlikede değildir. Ölçümden önceki elektron, durumların süperpozisyonundadır. Ancak odada dedektör açıldığında ne olduğunu görebilecek kimse yok. Dalga fonksiyonu çökecek mi, çökmeyecek mi? Yoksa kedi, biri kapıyı açıp odaya bakana kadar - hem ölü hem de diri - üst üste binmiş hallerde mi olacak?
Bu fikrimin devamında ünlü kedinin (hayatta kaldığını varsayarak) Schrödinger'in yavruları adını verdiğim iki yavrusu daha var . Bu tek yumurta ikizleri - Schrödinger'in kedisinin kızları - yaşam için ihtiyaç duydukları her şeye, hatta oyuncaklara sahip oldukları özdeş uzay kapsüllerinde yaşarlar. Kapsüller, ortasında tek elektronlu bir kutu bulunan bir tüple birbirine bağlanır. Bu elektronun dalgası kutuyu eşit şekilde doldurur. Bir noktada, kutuya bir bölme düşer ve onu ve kapsülleri iki parçaya böler; her biri elektron dalgasının yarısını içeren bir kutu ile iletişim kurar. Bundan sonra, kapsüller, aralarında birkaç ışıkyılı mesafe olana kadar aynı hızda zıt yönlerde gönderilir. Her kapsül, bir elektronun varlığını kaydeden bir detektöre sahiptir. Bir süre sonra (her iki durumda da aynı olması gerekmez), cihaz her kapsülde bir yarım kutu açacaktır. Orada bir elektron varsa, zaten yetişkin olan kedi ölecektir. Değilse, hayatta kalın. Ama olup biteni anlayabilecek zeki bir gözlemci yok. Ve ne - tüm bu eylemlerin bir sonucu olarak her iki kedi de bir süperpozisyonda olacak mı? Şimdi, geçmekte olan bir gemideki zeki bir uzaylının kapsüllerden birini yakaladığını ve içine baktığını, ölü ya da diri bir kedi gördüğünü hayal edin. Gerçekten şu anda, kapsüllerin her birindeki dalga işlevi çökecek mi - ve uzaylının gördükleri, birinciden iki ışıkyılı uzaklıktaki ikinci kedinin kaderini belirleyecek mi? Evet, pek de güzel olmayan CI'ye göre.
Alternatif var mı? CI'nin kendisi kadar gülünç görünseler de birçoğu var. Önce Kopenhag ile aynı zamanda doğan, bebekken Bohr tarafından neredeyse ezilen, ancak hayatta kalan ve savaşmaya devam eden kişiyi ele alalım.
Teselli 2
O Kadar İmkansız Olmayan Pilot Dalga Teorisi
Louis de Broglie, dalga-parçacık ikiliği bilmecesini farklı bir şekilde çözmeye çalıştı. Elektron gibi bir nesnenin, ona nasıl baktığınıza bağlı olarak bir dalga ya da parçacık olabileceğini söylemedi. Bir elektronun aynı anda bir dalga ve bir parçacık olduğunu söylemedi. Belki de iki ayrı nesne olduğunu öne sürdü - bir tür dalga ve bir tür parçacık - ve bunlar birlikte deneylerde gözlemlediğimiz etkileri oluşturuyor.
De Broglie, kuantum mekaniğinde dalga fikrinin öncülerinden biriydi. Einstein'ın ortaya koyduğu gibi, daha önce dalga (ışık) olarak düşünülen bir şeyin parçacıklar (fotonlar) olarak da düşünülebileceğine göre, daha önce parçacık (elektronlar) olarak düşünülen nesnelerin de düşünülmesi gerektiğini öneren ilk kişi oydu. dalgalar olarak. Bu varsayım kısa sürede deneysel olarak doğrulandı ve Schrödinger'in dalga denklemini yaratmasına yol açtı. De Broglie için dalga-parçacık ikiliğinin anlamı üzerine derin düşünceler doğaldı. Bohr'un Kopenhag yorumunun temellerini özetlediği Como'daki aynı konferansta bilmeceye kendi çözümünü önerdi.
Birçok yönden, de Broglie'nin pilot dalga teorisi, dalga-parçacık ikiliğini açıklamanın en doğal ve açık yoludur. De Broglie, dalganın ve parçacığın gerçek olduğunu ve dalganın (pilot dalga olarak adlandırılır) parçacığı hedefine bir okyanus dalgasının bir sörfçüyü kıyıya taşıması gibi yönlendirdiğini öne sürdü. İki delikli deneyde, pilot dalga her iki delikten de yayılır ve etkileşen dalgaların bir modelini oluşturarak kendi kendine müdahale eder. Deney düzeneğinden geçen parçacıklar biraz farklı hızlarda veya biraz farklı yönlerde başlarlar, bu nedenle dalgaları takip ederek ve dedektör ekranında bir girişim deseni oluşturarak biraz farklı yönlerde hareket ederler. Parçacıkların özelliklerini ölçüyoruz, ancak dalganın özelliklerine bizim için erişilemiyor, varlığını yalnızca parçacıkların davranışlarından keşif anına kadar bizden gizlenen davranışlarından tahmin edebiliyoruz. Bu yaklaşım, gizli değişken teorisi olarak bilinmeye başlandı.
İyice karıştırılmış bir iskambil destesi bizim için faydalı bir benzetme olabilir. Kuantum fiziği yasalarına uyacak kadar küçük bir iskambil destesi hayal edin. Desteyi, kartları birer birer çevirerek açmanıza izin veren mikroskobik bir cihaza yüzü aşağı bakacak şekilde yerleştirelim. Gizli değişken teorileri, en üstteki kart ortaya çıktığında, renginin ve değerinin destedeki 52 olası seçenek arasından rastgele seçildiğini söylüyor. 50/50 olasılıkla kırmızı kart alacaksınız, 1/52 olasılıkla - sinek beşi vb. Karta bakana kadar değeri ve rengi gizlidir. Ama aslında bu kart, bakmadığınız zamanlarda bile bu renkten ve bu değerden olmuştur (bu anlamda gerçek bir değişken değildir!). İlk kart açıldığında - gerçekten sinek beşli olduğunu varsayarsak - bir dahaki sefere sinek beşli görme olasılığımız sıfır, kırmızı kart görme şansımız 26/51 vb. Bunu, bir kartın siz ona bakana kadar renginin veya değerinin olmadığını söyleyen Kopenhag yorumuyla karşılaştırın. Mevcut seçenekler arasından takım elbisesini ve saygınlığını seçmesini sağlayan, izleme eylemidir. Ancak her iki durumda da, kartları açmaya devam ederseniz, olasılıklar tarafından belirlenen yaklaşık olarak aynı rasgele sırayı göreceksiniz - örneğin, sinek beşini asla iki kez görmeyeceksiniz. Deney, yorumlar arasında ayrım yapmaz. Ancak bu diziyi neyin oluşturduğunu açıklarken, fark çok büyük olacaktır.
Louis de Broglie
Lejyon Medyası
David Lindley, golf sahası üzerinde antrenman yapan bir golfçünün analojisini çiziyor. Aynı deliği hedef alarak topa bir dizi atış yapar, ancak top her seferinde biraz farklı bir hızda ve biraz farklı bir yönde yuvarlanır, çünkü golfçünün vuruş tekniği kaçınılmaz olarak küçük farklılıklar gösterir ve çimin yüzeyi tam olarak eşit değil. Sonuç olarak, toplar her seferinde biraz farklı bir yönde yuvarlanır ve biraz farklı bir mesafe kat eder. Sporcu yüz vuruş yaptıktan sonra, toplar çimlerin üzerinde yuvarlandı ve yüzeyin pürüzlülüğü tarafından belirlenen bir model oluşturdu. Ancak her topun nihai konumu, ilke olarak, topun ilk hareketinin tam hızı ve yönünün yanı sıra yüzeyin tam şekli bilinerek belirlenebilir. Bu anlamda, pilot dalganın yorumu deterministiktir ve dalga fonksiyonunun çöküşüyle ve aynı zamanda dalga fonksiyonunun bu şekilde çöküşüyle ilişkili rastgelelik unsurunu ortadan kaldırır. Zamanın her anında her parçacığın iyi tanımlanmış özellikleri vardır. Sadece, iyi karıştırılmış bir destede olduğu gibi, bakana kadar bu özelliklerin ne olduğunu bilmiyoruz.
De Broglie, Como'daki bir konferansta, pilot dalgayla ilgili argümanları, şimdi benim yaptığım gibi, genel argümanlarla sınırlandırmadan ayrıntılı olarak sundu. Sonradan düşünülmüş bir bakış açısıyla geriye dönüp bakıldığında, John Bell 1987 tarihli Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics adlı kitabında şunları yazdı: parçacıklar o kadar açık ve basit bir şekilde ki, herkesin neden bu kadar oybirliğiyle görmezden geldiği benim için büyük bir muamma.
Aslında o kadar da büyük bir gizem değil. İlk olarak, Bohr'un, Wolfgang Pauli'nin yardım ve desteğiyle, bu fikri küçümsediğinden ve de Broglie'nin teorisini, argümanlarının inandırıcılığından çok, kişiliğinin gücü ve bilimsel itibarının ağırlığıyla ezdiğinden daha önce bahsetmiştim. Ancak itibar her şey değildir. De Broglie'nin fikrinin, diğer gizli değişken teorilerle birlikte çamura batmasının ikinci nedeni, von Neumann'ın bu tür teorilerin imkansız olduğuna dair hatalı "kanıtı" idi. De Broglie fikrini yaymaya çalışmaktan vazgeçti ve fizikçiler tarafından kesinlikle unutuldu. 1950'lerin başında Amerikalı David Bohm olduğunda. benzer bir fikir ortaya attığında, selefi hakkında hiçbir şey bilmiyordu. İlk başta bu, kendisinden bahsedilmediği için rahatsız olan de Broglie ile kendisi arasında gerginliğe yol açtı, ancak daha sonra her şey düzeldi ve şimdi bir pilot dalga fikri genellikle de Broglie-Bohm yorumu olarak adlandırılıyor.
Bugün, Bohm'un kendi pilot dalga versiyonuna nasıl geldiği özellikle ilginçtir. Bohm, genç bir araştırmacı olarak, 1951'in başlarında çıkan kuantum fiziği üzerine bir ders kitabı yazdı. Kopenhag yorumunu o kadar iyi açıkladı ki, entelektüel olarak kendisinden aşağı olduğunu düşündüğü herkesi (yani genel olarak herkesi) sert eleştirileriyle tanınan Pauli bile ) ders kitabının onaylanması. ). Einstein aynı zamanda Bohm'un CI'yi açıklamakta en iyi işi yaptığını kabul etti, ancak Bohm ile temasa geçti ve Kopenhag yorumunun yanlış olduğunu düşündüğünü vurguladı. Bohm, kuantum dünyasında neler olup bittiğini açıklamanın başka bir yolu olup olmadığını görmeye karar verdi ve çok geçmeden olduğunu keşfetti. Pilot dalga modeli matematiksel olarak Kopenhag yorumuna eşdeğerdi ve kuantum sorularına aynı yanıtları veriyordu. Temel olarak de Broglie'ninkiyle aynı modeldi, ancak Bohm, kuantum ve klasik dünya arasındaki etkileşimi tanımlarken biraz daha ileri gitti. Ancak teorisi, von Neumann'ın imkansız olduğunu söylediği gizli değişkenlere dayanıyordu. En azından bu nedenle (ve ayrıca, en azından ABD'de, Bohm, McCarthy cadı avı sırasında komünist sempatizanı olarak damgalandığı için) birçok fizikçi Bohm'u ciddiye almadı. Von Neumann bunun imkansız olduğunu söylediyse, Bohm'un modelinde bir yerlerde bir hata olmalı. Ancak çok önemli bir istisna vardı.
1952'de John Bell, Worcestershire, Malvern'deki İngiliz Atom Enerjisi Araştırma Kuruluşunda çalıştı. En iyi genç bilim adamlarından biri olarak, araştırma yapması için bir yıllık izin aldı. Bell, kuantum teorisi üzerine araştırma yaptığı ve Bohm'un pilot dalga fikrini öğrendiği Birmingham Üniversitesi'ne gitti. Bell hemen çoğu fizikçininkinden farklı bir fikir edindi. Bohm'un fikri işe yararsa ve von Neumann bu tür fikirlerin imkansız olduğunu savunursa, bundan yanılanın von Neumann olduğu sonucu çıkarılmalıdır. Ne yazık ki, o zamanlar von Neumann'ın kitabı yalnızca Bell'in konuşmadığı Almanca olarak yayınlandı. Parçacık hızlandırıcı tasarımındaki ana işine geri döndü ve 1960 yılında CERN'e taşındı. 1963'te von Neumann'ın kitabı İngilizce olarak yayınlandığında, Bell yazarda bir hata buldu ve bulgularını Amerika Birleşik Devletleri'nde izinli olduğu sırada sundu.
David Bohm
Lejyon Medyası
Bell ayrıca, von Neumann'ın hatasının ek kanıtı olarak teorinin kendi versiyonunu gizli değişkenlerle birlikte sundu. Ama bahsettiğim gibi, pilot dalga teorisi de dahil olmak üzere tüm gizli değişken teorilerinin yerel olmadığını gösterdi. Amerika Birleşik Devletleri gezisi sırasında yayınlanan bir makalede Bell şunları yazdı: “Bu, yerellik gerekliliği veya daha doğrusu, bir sistemin ölçüm sonuçlarının, başka bir uzak sistemdeki operasyonlara bağlı olmaması gerekliliğidir. Geçmişte etkileşime giren ilk sistem, EPR bulmacası gibi konularda büyük bir zorluğa yol açar (ya da benim örneğim, de Broglie-Bohm teorisine göre elektronun her zaman içinde olduğu uzaydaki yavru kedi örneğim). kutunun yarısı ve üst üste binme yok). Pilot dalga yorumu, herhangi bir anda, bir parçacığın hızı veya nasıl yön değiştirdiği gibi özelliklerin, bu parçacığın daha önce etkileşime girdiği diğer tüm parçacıkların o andaki özelliklerine bağlı olmasını açıkça gerektirir.
Başkalarında hiç böyle bir karşılaştırma görmedim, ama kişisel olarak bana sözde Mach ilkesini hatırlatıyor. Einstein üzerinde küçük bir etkisi olmayan fizikçi Ernst Mach, genel olarak dikkatleri en azından Newton'un zamanından beri bilim adamlarını rahatsız eden bir gizeme çekti. Bu bilmece eylemsizlikle ilgili. Bir şeyi iterseniz, onu harekete geçirme girişimine direnir. Sürtünmeden bahsetmiyorum çünkü bir cismin uzayda serbestçe yüzdüğü hayali bir durumdan bahsediyorum. Durağan kalacak veya itilene kadar düz bir çizgide hareket etmeye devam edecektir (bu olasılığa ilk işaret eden Robert Hooke'tur). İtildiğinde, nesne hızını, hareket yönünü veya her ikisini birden değiştirir. Ancak yön veya hız değiştirdiğini nereden biliyor? Değişim neye karşı ölçülür? Ataletin bir bütün olarak evrene göre hareket halindeki değişime karşı direnç olduğunu fark etmek için fazla gözlem ve düşünme gerekmez.
Bu gizemi tüm ihtişamıyla görmek için, düşüncelerinizde uzaya taşınmanıza gerek yok. Isaac Newton bile harika kitabı "Başlangıçlar ..." da evde yapabileceğiniz bir kova deneyini anlattı. Newton, sapından uzun bir ipe bir kova su astı, ipi iyice büktü ve bıraktı. Kova dönmeye başladı ama önce içindeki su seviyesi aynı kaldı. Kovanın suya göre hareket etmesi, davranışı üzerinde hiçbir etkiye sahip değildi. Daha sonra, su dönüşü "kazandığında", kovanın ortasındaki seviyesi hafifçe düşerek içbükey bir yüzey oluşturdu. Newton kovayı kenarlarından tuttu, dönmeyi bıraktı ama içindeki su bir süre hareket etmeye devam etti ve yüzeyi içbükey kaldı, dönüş yavaşladıkça yavaş yavaş düzleşti. Suyun yüzeyinin şekli, gizemli bir sabit referans çerçevesine göre nasıl hareket ettiğine bağlıydı ve suyun kovaya göre nasıl hareket ettiğiyle hiçbir ilgisi yoktu. Günümüzde bu referans çerçevesi, evrendeki kütlelerin ortalama dağılımı olarak tanımlanmaktadır. Evrenin yerel nesneler üzerindeki etkisini görmek için bir kovaya bile ihtiyacınız yok - sadece bir fincandaki çay veya kahvenin içine şeker karıştırırken yüzeyini izleyin!
Dolayısıyla, bu tür değişikliklerin ölçüldüğü referans çerçevesini oluşturan, Evrendeki kütlelerin ortalama dağılımıdır. Bir şekilde "yerel" nesne, "dışında" olan her şeyden etkilenir. Mach ilkesi, bir parçacığın ataletinin, bu parçacığın evrendeki diğer tüm nesnelerle bazı etkileşimlerinden kaynaklandığını belirtir. Ancak bu etkileşimin ne olduğu uzun süre bir sır olarak kaldı. Çözümünün, pilot dalga artı yerel olmama ile bir yorum olması mümkündür.
Bu, başka bir yorumda ortaya çıkan ilginç bir sonuca götürür (Teselli 3). De Broglie-Bohm pilot dalga yorumu tüm evren için geçerlidir. Tek bir parçacığın burada ve şimdi davranışı, evrendeki diğer tüm parçacıkların o anki konumlarına bağlıdır. Bununla birlikte, bu sonucun içerimleri en iyi üçüncü Tesellimiz olan Birçok Dünyanın Yorumu bağlamında tartışılabilir. Ancak ona geçmeden önce, Bohm'un teorisi üzerine, destek beklemeyi yeğleyebileceğimiz bir adam tarafından yapılmış şaşırtıcı bir yorumdan bahsetmek gerekiyor. Bohm'un CI'ye bir alternatif bulma girişimini başlatan Einstein, 12 Mayıs 1952'de Max Born'a şunları yazmıştı:
Bohm'un (ve aslında 25 yıl önce de Broglie'nin) kuantum teorisinin deterministik olarak farklı şekilde yorumlanabileceğine nasıl inandığını gördünüz mü? Bu, bence, ucuz bir akıl yürütmedir .
Hiç kimse Einstein'ın tam olarak ne demek istediğini söyleyemez, ancak yorumu, kuantum mekaniğinin her türlü yorumunun neden olduğu kafa karışıklığını bir kez daha vurgulamaktadır.
Teselli 3
Çok dünyalı yorumlamanın fazla bagajı
Birçok Dünya Yorumunu (MWI) duyduysanız, muhtemelen bunun 1950'lerin ortalarında Amerikalı Hugh Everett tarafından ortaya atıldığını düşünürsünüz. Bir bakıma bu doğrudur. Everett bu fikri gerçekten tek başına buldu. Ama kendisinden yaklaşık beş yıl önce Erwin Schrödinger'in aklına aynı fikrin geldiğini bilmiyordu. Everett'in versiyonu daha matematiksel, Schrödinger'in versiyonu daha felsefi ama asıl mesele şu ki, her iki yazar da "dalga fonksiyonunun çökmesi" fikrinden kurtulmak istedi ve ikisi de başardı.
Dinlemek isteyen herkese, Schrödinger denklemlerin (ünlü dalga denklemi dahil) çökme hakkında hiçbir şey söylemediğini söylemekten mutluydu. Bohr, deneyin neden yalnızca bir sonucunu gördüğümüzü açıklamak için bu şeyi teoriye soktu - bu durumların bir karışımı ya da üst üste binmesi değil, ölü ya da canlı bir kedi. Ancak dalga fonksiyonunun yalnızca bir sonucunu - bir çözümünü kaydetmemiz gerçeğinden , alternatif çözümlerin olmadığı sonucu mutlaka çıkmaz. 1952'de yayınlanan bir makalede Schrödinger, bir tür kuantum süperpozisyonunun sırf biz ona bakıyoruz diye çökmesini beklemenin saçmalığına dikkat çekti. "Açıkça saçma," diye yazdı, dalga fonksiyonunun "çok farklı iki şekilde kontrol edilmesi gerekiyor - bazen dalga denklemiyle, ama bazen dalga denkleminden bağımsız bir gözlemcinin doğrudan müdahalesiyle."
Schrödinger'in kendisi bu fikri ünlü kedisine uygulamamış olsa da, bu gizemi kolayca çözer. Schrödinger'in terminolojisine son şeklini verdikten sonra iki paralel evren, iki dünya olduğunu ve bunlardan birinde kedinin yaşamaya devam ettiğini, diğerinde ise öldüğünü söyleyebiliriz. Bir evrende kutu açıldığında içinde ölü bir kedi bulunur. Başka bir evrende ise kutudaki kedinin hayatta olduğu ortaya çıkar. Her zaman iki evren olmuştur, cehennem makinesi kedilerin kaderini belirlediği ana kadar aynıydılar. Dalga fonksiyonunun çökmesi yoktur. 1952'de Dublin'de, meslektaşlarının tepkisini tahmin eden Schrödinger, denkleminin farklı olası seçenekleri tanımlıyor gibi görünse de, bu seçeneklerin "alternatif olmadığını, aslında hepsinin aynı anda meydana geldiğini" vurguladı. Ekledi:
Bir kuantum teorisyeninin iddia ettiği hemen hemen her sonuç, şu ya da bu olayın olasılığıyla ilgilidir ve genellikle pek çok alternatif vardır. Bunların alternatif olmayabileceği ve aslında hepsinin aynı anda gerçekleştiği fikri çılgınca ve imkansız görünüyor. Teorisyen, eğer doğa kanunları, diyelim ki çeyrek saat boyunca böyle bir biçim alırsa, o zaman çevremizdeki dünyanın nasıl hızla bir bataklığa, şekilsiz bir jöle veya plazmaya dönüştüğünü, tüm ana hatların bulanıklaştığını göreceğimize inanıyor. ve biz kendimiz muhtemelen denizanasına dönüşüyoruz. Buna inanması garip. Anladığım kadarıyla, gözlemlenemeyen doğanın dalga denklemine göre bu şekilde davrandığından emin. Yukarıdaki alternatifler sadece biz bir gözlem yaparken devreye giriyor - iyonun bilimsel olması gerekmiyor elbette. Bununla birlikte, görünüşe göre, kuantum teorisyenine göre, doğanın hızlı "jöleye dönüşmesini" yalnızca bizim algımız veya doğayı gözlemlememiz engelliyor ... Çok garip bir düşünce.
Schrödinger'in bu fikrine kimse tepki göstermedi. Göz ardı edildi ve unutuldu, imkansız olarak kabul edildi ve Everett kendi MMI versiyonunu kendi başına geliştirdi - ancak fikri neredeyse oybirliğiyle göz ardı edildi. Ancak Evrenin, suları onlarca yıl boyunca bulandıracak olan her bir kuantum seçimi eylemiyle farklı seçeneklere "bölündüğünü" öne süren Everett'di.
Everett bu fikri 1955'te Princeton'da tezi üzerinde çalışırken dile getirdi. Taslağında, iki yavru hücreye ayrılan bölünen bir amip analojisini kullandı. Protozoa duyarlı olsaydı, her çocuk amipin hafızasında ayrılma anına kadar tamamen aynı bir geçmiş olurdu ve sonra kendi kişisel geçmişi birikmeye başlardı. Schrödinger kedi benzetmesinde, cehennem makinesi patlamadan önce bir evren ve bir kedi, ardından her birinin kendi kedisine sahip iki evren vb. vardır. Everett'in danışmanı John Wheeler, ona fikrin matematiksel bir tanımını yapmasını tavsiye etti - bir tez ve 1957'de Review of Modern Physics'te yayınlanan bir makale için, ancak amip benzetmesi bir yerlerde ortadan kayboldu ve çok sonra basılı biçimde ortaya çıktı. Bununla birlikte Everett, hiçbir gözlemcinin diğer dünyaların varlığını asla deneyimlemeyecek olmasına rağmen, biz onları görmediğimiz için var olamayacakları iddiasının, Dünya'nın Güneş'in etrafında dönemeyeceği iddiasından daha ikna edici olmadığına dikkat çekti. onun hareketi.
Everett'in kendisi hiçbir zaman MMI fikrini desteklemeye çalışmadı. Tezini savunmadan önce bile Pentagon için Silah Sistemleri Değerlendirme Grubunda çalışmaya başladı. Matematiksel yöntemlerin (belgelerde masum bir şekilde oyun teorisi olarak adlandırılıyordu) Soğuk Savaş sorunlarına uygulanmasıyla ilgilenecekti. Çalışmalarından bazılarının gizliliği bugüne kadar kaldırılmadı. Hatta akademik camianın görüş alanından kayboldu. Sadece 1960'ların sonlarında. Everett'in fikri, Kuzey Karolina Üniversitesi'nden Bryce DeWitt tarafından benimsenip coşkuyla tanıtıldığında biraz tanıtım aldı. Devitt şöyle yazdı: "Evrenin her ücra köşesindeki her galaksideki her yıldızda meydana gelen her kuantum geçişi, Dünya üzerindeki yerel dünyamızı kendisinin sayısız kopyasına böler." Wheeler için bu çok fazlaydı; başlangıçta ve 1970'lerde eğilimli olduğu MMI'yi desteklemeyi reddetti. dedi ki: "Sonunda, bu hipoteze olan desteğimi isteksizce geri çekmek zorunda kaldım, çünkü korkarım ki bu çok fazla metafizik yük taşıyor" . İronik bir şekilde, bu noktada fikir, kozmoloji ve kuantum hesaplama alanında bir canlanma ve gelişme yaşıyordu.
Bu yorumun gücü, onu tam olarak desteklemeye hazır olmayanlar tarafından bile tanınmaya başlandı. John Bell, "insanların elbette dünyalarla çoğaldığını ve onun herhangi bir dalında yaşayanların yalnızca bu dalda olanları hissetmesi gerektiğini" kaydetti ve isteksizce bu fikirde bir şeyler olabileceğini kabul etti:
"Birçok Dünya Yorumu" bana abartılı ve her şeyden önce abartılı bir şekilde belirsiz bir hipotez gibi geliyor. Bunu gülünç diye bir kenara atmaya neredeyse hazırım. Ve yine de... Belki de Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu ile bağlantılı olarak söyleyecek bir şeyleri vardır ve bana öyle geliyor ki, bunun katı bir versiyonunu formüle etmek ve bunun gerçekten böyle olup olmadığını görmek faydalı olacaktır. Ek olarak, olası dünyaların varlığı belki de kendi dünyamızın varlığında daha rahat olmamızı sağlar... ki bu bazı açılardan pek olası görünmüyor .
MMI'nin katı versiyonu, Oxford'dan David Deutsch sayesinde ortaya çıktı. Aslında, yorumunu formüle ederken Deutsch'un bundan haberi olmamasına rağmen, Schrödinger'in versiyonu için sağlam bir temel attı. Deutsch, 1970'lerde Devitt ile çalıştı ve 1977'de, ikincisi tarafından düzenlenen bir konferansta, Everett'in fikirlerini geniş bir izleyici kitlesine sunduğu tek sefer olan Everett ile tanıştı. MWI'nin kuantum dünyasını anlamanın doğru yolu olduğuna ikna olan Deutsch, bilgisayarlarla ilgilendiği için değil, bir kuantum bilgisayarının yaratılmasının dünyanın gerçekliğini kanıtlayacağına inandığı için kuantum hesaplama alanında öncü oldu. MMI.
Ve burada yine "Schrödinger'in kedisi" ile yapılan düşünce deneyine dönüyoruz. Everett'e göre cehennem makinesi tetiklenene kadar sadece bir kedi vardır ve bundan sonra tüm evren ikiye bölünür. Benzer şekilde, DeWitt'in işaret ettiği gibi, uzak bir galaksideki iki (veya daha fazla) kuantum yörüngesi seçeneğiyle karşı karşıya kalan gelişigüzel bir elektron, siz ve ben dahil tüm evrenin bölünmesine neden olur. Deutsch-Schrödinger varyantı, kuantum dalga fonksiyonunun (çoklu evren olarak adlandırılan) tüm olası çözümlerine karşılık gelen sonsuz çeşitlilikte evrenleri varsayar. Yani kedi deneyinde, özdeş deneycilerin özdeş cehennem makineleri yaptıkları birçok özdeş evren vardır. Bu evrenler, makinenin çalıştığı ana kadar aynen kalır. Bundan sonra bazı evrenlerde kedi ölür, bazılarında yaşamaya devam eder ve sonraki hikayelerde de aynısı olur.
Paralel dünyalar hiçbir koşulda birbirleriyle iletişim kuramazlar. Yoksa yapabilirler mi?
Davut Almanca
Getty Images aracılığıyla robert wallis/Corbis
Deutsch, iki veya daha fazla önceden özdeş evren, iki delikli deneyde olduğu gibi, kuantum süreçlerinin etkisi altında farklı hale geldiğinde, aralarında geçici olarak girişim meydana geldiğini (evrenlerin gelişimi ile bastırıldığını) savunuyor. Deneylerin gözlemlenen sonuçlarına neden olan bu etkileşimdir. Deutsch'un hayali, "beyninin" içinde meydana gelen girişimi içeren bazı kuantum fenomenlerini izleyecek çalışan bir kuantum bilgisayarı görmektir. Deutsch, akıllı bir kuantum bilgisayarının paralel gerçekliklerdeki geçici varoluş deneyimini hatırlayabileceğini iddia ediyor. Tabii ki, bu proje hala gerçekleştirilmekten çok uzak, ancak Deutsch'un Çoklu Evren'in varlığına dair çok daha basit bir "kanıtı" var.
Bir kuantum bilgisayarı arasındaki niteliksel fark, içindeki "anahtarların" durumların üst üste gelmesidir. Geleneksel bir bilgisayar, 1 ve 0 sayılarına karşılık gelen açık veya kapalı olan bir dizi anahtardan (elektrik devresi bileşenleri) oluşur. Bu, ikili koddaki sayı dizilerini işleyerek hesaplamaların yapılmasını sağlar. Her anahtara bir bit denir ve elimizde ne kadar çok bit varsa, bilgisayar o kadar güçlüdür. Sekiz bit bir baytı oluşturur ve günümüzde bilgisayar belleği milyarlarca baytla, yani gigabaytla (GB) ölçülür. Açıkçası, ikili sistemde çalıştığımız için bir gigabayt 230 bayta eşittir, ancak bu genellikle göz ardı edilir. Ancak bir kuantum bilgisayarda, her anahtar, durumların üst üste binmesinde olabilen bir nesnedir. Kural olarak, bu bir atomdur, ancak prensipte, dönüşü pozitif veya negatif olabilen bir elektron olarak kabul edilebilir. Aradaki fark, bir süperpozisyonda bir elektronun hem pozitif hem de negatif bir dönüşü olmasıdır - hem 0 hem de 1'dir. Buradaki her anahtara kübit denir.
Bu kuantum özelliği nedeniyle, her bir kübit iki bit'e eşdeğerdir. İlk bakışta, özellikle etkileyici değil, ama aslında çok önemli. Yani, üç kübitiniz varsa, bunlar sekiz şekilde düzenlenebilir: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Süperpozisyon bu seçeneklerin hepsini içerir. Bu nedenle, üç kübit altı bite (2 × 3) değil, sekize (23) eşdeğerdir. Eşdeğer bit sayısı her zaman kübit sayısının kuvvetinin iki katıdır. Sadece 10 kübit, 210 bit'e, yani tam anlamıyla 1024'e eşdeğer olacaktır, ancak bu sayıya genellikle kilobit denir. Bu tür geometrik ilerlemeler çok hızlı büyür ve sonsuza gider. Yalnızca 300 kübitlik bir bilgisayar, gözlemlenebilir evrendeki atom sayısından daha fazla bit içeren geleneksel bir bilgisayara eşdeğer olacaktır. Ancak böyle bir bilgisayar nasıl hesaplama yapabilir? Birkaç kübit de dahil olmak üzere ilk basit kuantum bilgisayarlar zaten inşa edildiğinden ve beklentilere uygun olarak çalıştığı kanıtlandığından, bu soru çok acil hale geldi. Aslında aynı bit sayısına sahip geleneksel bilgisayarlardan daha güçlü oldukları ortaya çıktı.
Deutsch'un cevabı, hesaplamaların, süperpozisyonlarımıza karşılık gelen paralel evrenlerin her birinde aynı bilgisayarlarda eş zamanlı olarak yapıldığıdır. Üç kübitlik bir bilgisayar için bu, bir cevap almak için aynı bilgisayarları kullanarak aynı problem üzerinde çalışan bilgisayar bilimcilerinin sekiz süperpozisyonu anlamına gelir. Tüm deneyciler aynı olduğundan ve aynı görevi yapmak için aynı nedenlere sahip olduklarından, bu şekilde "işbirliği yapmaları" şaşırtıcı değildir. Hayal etmesi çok zor değil. Ancak 300 kübitlik bir makine yaparsak -ki bu bir gün mutlaka gerçekleşecektir- o zaman, eğer Deutsch haklıysa, görünür evrenimizdeki atom sayısından daha fazla, çok sayıda evren arasında bir "işbirliği" elde edeceğiz. Soru ortaya çıkıyor: metafizik yük çok büyük değil mi? Herkes kendisi için cevabı seçer. Ancak bunun çok fazla olduğunu düşünüyorsanız, kuantum bilgisayarların neden çalıştığını bir şekilde açıklamanız gerekecek.
Kuantum bilgisayarlardaki uzmanların çoğu bu konular hakkında düşünmemeyi tercih ediyor. Ancak her gün kahvaltıdan önce altıdan fazla imkansız şeyi düşünmeye alışmış bir grup bilim insanı var ve bu grup kozmologlar. Bazıları, evrenin varlığını açıklamanın en iyi yolu olarak birçok dünya yorumunu benimsemiştir.
Onlar için çıkış noktası, Schrödinger'in belirttiği, denklemlerde dalga fonksiyonunun çöküşünü gösterecek hiçbir şeyin olmadığı gerçeğidir. Aynı zamanda, tek bir dalga fonksiyonunu kastediyorlar - tüm dünyayı bir bütün olarak devletlerin bir süperpozisyonu olarak tanımlayan, evrenlerin bir süperpozisyonu olan Çoklu Evren.
Everett'in tezinin ilk taslağı (daha sonra Wheeler'ın tavsiyesi üzerine gözden geçirildi ve kısaltıldı) Evrensel Dalga Fonksiyonu Teorisi olarak adlandırıldı . Bu durumda "evrensel" ( evrensel ) ile yazar, kelimenin tam anlamıyla "evrensel" (Evren - Evren ) özü kastediyordu. O yazdı:
Durum işlevinin tanımının evrensel geçerliliği ileri sürüldüğü için, durum işlevlerinin kendileri temel nesneler olarak kabul edilebilir ve hatta tüm Evrenin durum işlevi düşünülebilir. Bu anlamda, bu teori "evrensel dalga fonksiyonu" teorisi olarak adlandırılabilir, çünkü tüm fiziğin bu tek fonksiyondan kaynaklandığı varsayılır.
Burada, şu anki hedefimizi göz önünde bulundurarak, "durum fonksiyonu" dalga fonksiyonunun başka bir adıdır. "Tüm fizik", fizik jargonunda biz "gözlemciler" de dahil olmak üzere her şey demektir. Kozmologlar bu teoriye sevinirler, çünkü onlar da dalga fonksiyonuna dahil edilirler, ancak böyle bir tek, çökmeyen dalga fonksiyonu fikri, uyumluluğu kaybetmeden tüm evreni kuantum mekaniksel terimlerle tanımlamanın tek yolu olduğu için. Genel görelilik. 1957'de yayınlanan kısa bir tezde Everett, kuantum mekaniği formülasyonunun "bu nedenle genel göreliliğin nicelleştirilmesi için verimli bir temel olabileceği" sonucuna vardı. Hayali henüz gerçekleşmemiş olsa da, 1980'lerin ortalarından beri kozmologlara aktif olarak çalışmaları için ilham verdi. Ancak bu teori ağır bir yük taşımaktadır.
Evrensel dalga fonksiyonu, evrendeki her parçacığın belirli bir andaki konumunu tanımlar. Ama aynı zamanda bu parçacıkların o andaki tüm olası konumlarını da anlatıyor. Ve olası seçeneklerin sayısı uzay ve zamanın kuantum ayrıklığı ile sınırlı olmasına rağmen, her bir parçacığın başka herhangi bir zamanda tüm olası konumları. Bu hayal edilemez olası evrenler dizisinin çoğu, sabit yıldızların ve gezegenlerin imkansız olduğu evrenler ve bu gezegenlerde yaşayacak insanlar olacak. Ama en azından bazı evrenler, bilim kurgu ve genel olarak kurguda sıklıkla tasvir edildiği gibi, aşağı yukarı bizimkine benzeyecek. Deutsch, MMI'ye göre, herhangi bir edebi eserde tanımlanan herhangi bir dünyanın, fizik yasalarına uyması koşuluyla, aslında Çoklu Evren'de bir yerlerde var olduğuna dikkat çekti. Örneğin bir yerlerde Uğultulu Tepeler dünyası olmalı (ama Harry Potter dünyası değil).
Ve hepsi bu değil. Tek bir dalga fonksiyonu, tüm olası evrenleri tüm olası zamanlarda tanımlar. Ancak bir durumdan diğerine geçiş hakkında hiçbir şey söylemiyor. Zaman akmıyor. Açıkça söylemek gerekirse, durum vektörü adı verilen Everett parametrelerinden biri, içinde bulunduğumuz dünyanın bir tanımını ve bu dünyanın tarihinin tüm kayıtlarını - anılarımızdan fosillere ve uzak galaksilerden bize ulaşan ışığa kadar - içerir. Tam olarak bizimkine benzeyen, ancak "zamanda" örneğin bir saniye (veya saat veya yıl) kaydırılmış başka bir evren de olmalıdır. Ancak herhangi bir evrenin zamanın bir noktasından diğerine geçtiğine dair hiçbir gösterge yoktur. Evrensel dalga fonksiyonu tarafından tanımlanan ikinci evrende, zamanın ilk anında sahip olduğum tüm anılarla birlikte bir sonraki saniyeye (veya saate, yıla veya başka herhangi bir şeye) karşılık gelen anılarla birlikte bir "ben" de olmalıdır. dönem). Ancak “ben”in tüm bu varyantlarının aynı kişi olduğunu söylemek mümkün değil. Farklı zamansal durumlar, tanımladıkları olaylara göre sıralanabilir, böylece geçmiş ve gelecek arasındaki fark tanımlanır, ancak evren bir durumdan diğerine değişmez. Tüm devletler basitçe var olur. Algılamaya alıştığımız şekliyle zaman, Everett'in MMI'sinde "akmaz".
Ancak anladığım kadarıyla bir şeyleri değiştirmemizin zamanı geldi. Farklı türde bir teselli aramanın zamanı geldi ve bu sefer onu uyumsuzluğun içinde arayacağız.
Teselli 4
Uyumsuzluk ile tutarsız yorumlama
Eşevresizliğin gerçekleşmesi için önce bir şeyin tutarlı olması gerekir. Fizikçiler tutarlılıktan ne kastettiklerinin gayet iyi farkındalar ve uyumsuzluk yorumunun savunucuları, kuantum dünyasının olduğu gibi davranmasını sağlayan şeyin tutarlılık olduğunu savunuyorlar.
Her zamanki gibi, iki delikli deney, neler olup bittiğine ışık tutmamıza yardımcı olacaktır. İki delikten farklı yönlerde ayrılan ışık (veya başka herhangi bir dalga) başlangıçta aynı kaynaktan gelir ve bu nedenle birbiriyle senkronizedir. Delikler basitçe bu tutarlı dalgaları farklı yollar boyunca yönlendirir ve bu yolların uzunluğundaki fark, iki dalga kümesinin birbiriyle nasıl etkileşime girdiğini etkiler: burada bir fazda, orada - farklı fazlarda birleşirler . Dalgaların tepeleri ve çukurları her zaman net kurallara göre düzenli olarak düzenlenir ve bu, dalgaların birbirleriyle, sonucun eşit derecede düzenli bir ışık ve gölge modeli olacak şekilde etkileşime girmesini sağlar. Dalgalar tutarsızsa (örneğin, bir duvarı aydınlatan iki meşaleden gelen ışık tutarsızsa), o zaman girişim deseni yoktur. Aslında, aralarında girişim meydana gelir, ancak her şey o kadar karışıktır ki, düzenli bir model ortaya çıkmaz. Eşevresizlik yorumuna göre, "kuantumluk" tam da her şey karıştığında ortadan kalkar. Ancak iki meşaleden gelen ışık hiçbir zaman tutarlı olmadı. Tutarsızdı.
Başka bir yararlı benzetme daha var - bazen stadyumlarda görülebilen sözde Meksika dalgası. Podyumdaki her izleyici ellerini rastgele kaldırıp indirirse, yalnızca sallanan ellerden oluşan bir kaos görürsünüz. Ancak her kişi komşuları takip ederek doğru anda ellerini kaldırıp indirirse, stadyumun tribünlerini bir dalga süpürür. Bu dalga tutarlıdır, istemli kol sallama tutarsızdır. Dolayısıyla "eşevresizlik" terimi, tam anlamıyla kuantum bağlamında pek uygun değildir. Belki de bu modele kuantum mekaniğinin tutarsız bir yorumu demek daha mantıklı olacaktır; ancak destekçileri, bu ismin okuyucuda en sevdikleri fikir hakkında yanlış bir izlenim bıraktığını düşünebilir!
Bu fikrin hayranları haklıysa, kuantumluk ile sıradan dünya arasındaki sınır tutarlılıkla tanımlanır, büyüklükle değil. Bohr ve meslektaşları bu konuda belirsizdi ve bunun iyi bir nedeni vardı. Bir kedi kadar büyük ve karmaşık bir nesnenin kuantum süperpozisyonunda olamayacak kadar büyük olduğunu, oysa tek tek atomların içinde olabileceğini iddia edebilirler. Ama kutudaki kedi düşünce deneyinin kendi varyasyonlarını bulmaya başlarsak, çizgiyi nereye çekmemiz gerekir? Bir pire canlı mı, ölü mü yoksa süperpozisyonda mı olduğunu kesin olarak bilecek kadar büyük mü? Ya mikrop? Bunu kimse bilmiyordu.
Bir kişi meydan okumayı kabul etti ve bu sorunun cevabını bulmaya karar verdi. Anthony Leggett, 1960'ların sonlarında ve 1970'lerde aktif. Sussex Üniversitesi'nde, kuantum mekaniği kurallarının, elde tutulabilecek kadar büyük (hatta daha fazla) sözde makroskopik nesnelerin davranışını tanımlamak için hala geçerli olup olmadığını test edecek deneyler geliştirmeye kararlıydı. Bu, Leggett'in Süper İletken Kuantum Girişim Cihazını (SQUID) geliştirmesine yol açtı. Bu tür tipik bir cihaz yaklaşık olarak bir alyans büyüklüğündeydi, gerçekten alınabilirdi , ancak cihazın çalışması için ultra düşük sıcaklıklara kadar soğutulması gerektiğinden, çalışırken onu elde tutmak imkansızdı. Bir süper iletkendeki elektrik akımı bir kez başladı mı sonsuza kadar akar. SQUID halkasından akan böyle bir akımın davranışı, elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak izlenebilir ve düzeltilebilir. Deneyler, bir halka etrafında dolaşan bir elektron dalgasının, bir atomdan yaklaşık yüz milyon kat daha büyük (ve muhtemelen bir bakteriden ve hatta bir pireden daha büyük) tek bir kuantum nesnesi gibi davrandığını göstermiştir. Böylece Leggett ilk golü elde etti ama orada durmadı.
Böyle bir dalganın halkanın etrafında bir yönde veya diğer yönde ilerleyebileceğini, ancak aynı anda her iki yönde hareket edemeyeceğini düşünebilirsiniz. Hatalısınız. 21. yüzyılın başında yapılan deneyler, bir dalganın her iki yönde aynı anda hareket ettiğini gösteren etkiler gösterdi. Zıt yönlerde hareket eden iki dalga değil, aynı zamanda aynı anda ve bu şekilde ve bu şekilde giden aynı dalga - bir süperpozisyonda. Dolayısıyla, bir nesnenin kuantum doğası, onun boyutuyla değil, dalga tutarlılığı gerçeğiyle belirlenir.
O zamandan beri, bu yöndeki çalışmalar önemli ölçüde ilerledi ve Leggett'e Nobel Ödülü ve şövalyelik unvanı kazandırdı. SQUID cihazları giderek büyüyor ve insan vücudu tarafından üretilen manyetik alanların hassas dedektörleri ve ayrıca kuantum bilgisayarların potansiyel bileşenleri olarak tıpta pratik uygulamalar buluyor. Bizim için, dalgaların tutarlı oldukları sürece, iyi tanımlanmış kuantum durumlarının makroskopik örnekleri gibi davrandıklarını, ancak sıcaklık yükseldikçe ve dalgaların ayrıştıkça, artık kuantumluk sergilemediklerini not etmek önemlidir. Bohr'un dilinde, eşevresizliğin dalga fonksiyonunun çökmesine neden olduğu söylenebilir. Bu nedenle, bazı fizikçiler uyumsuzluk yorumunun aynı Kopenhag yorumu olduğuna, ancak farklı bir isim altında olduğuna inanıyor. Bununla birlikte, bu, üst üste binme ve karışıklığın, uyumsuzluğa sahip titiz bir yorumlama formülasyonundaki kilit rolünü gözden kaçırır.
Anthony Leggett
Tony Evans/Timelapse Library Ltd./Getty Images
Üst üste binme ve dolaşma aynı madalyonun iki yüzüdür. İki "parçacık" etkileşime girdiğinde birbirine karışır ve o andan itibaren birinin başına gelen her şey diğerini de etkiler. Esasen, tek bir varlık haline gelirler. Aynı şekilde, SQUID halkası boyunca her iki yönde aynı anda hareket eden bir dalga, üst üste binmiş, birbirine dolanmış iki dalga olarak düşünülebilir. Bunun sonucu, tek bir kuantum nesnesi, halka boyunca bir yönde değil, aynı anda iki yönde ilerleyen bir dalgadır. Eşevresizlik yorumunun ancak 1980'lerde, deneylerin dolaşıklığın dünyamızın işleyiş biçiminin gerçek bir tanımı olduğunu ortaya koymasıyla aynı zamanda ortaya çıkması şaşırtıcı değildir.
"Saf" bir kuantum nesnesi dış dünyayla etkileştiğinde ve "decoheres" olduğunda gerçekte ne olur? Daha az değil , daha fazla kafa karıştırıcı hale gelir . Saf bir kuantum halindeki tek bir parçacığı hayal edin. Başka bir parçacığın üzerine saçılır (ya da en azından bir ışık fotonuyla etkileşime girer girmez), dolaşık hale gelir. İki dolaşık nesneden herhangi biri üçüncüsü ile etkileşime girerse, üçü de birbirine karışır ve kuantum durumları bir süperpozisyonla sonuçlanır. Karışıklık, dedikleri gibi, orman yangınından daha hızlı yayılıyor. Uygulamada, dış dünyadan ayrılmış "saf" bir kuantum sistemi diye bir şey yoktur (SQUID'lerle yapılan deneyler gibi çok özel durumlar dışında), her ikisinin de karmaşık bir sistemi, şimdiye kadar var olan her şeyin bir süperpozisyonu. ya orijinal parçacıkla ve onun şimdiye kadar etkileştiği her şeyle ve ayrıca etkileştiği ya da temas kurduğu her şeyle etkileşime girmiştir. Eşevresizlik aslında dünyada - Evrende - var olan her şeyi tek bir kuantum sistemine bağlamak anlamına gelir. Artık bir zamanlar izole edilmiş bir parçacığın kuantum doğasını gözlemlemiyoruz, çünkü diğer her şeyle karışmış durumda. Ortaya çıkan tutarsızlık, en basit sistemler dışında herhangi bir şeyin temel kuantum doğasını anlamlandırmayı son derece zorlaştırıyor. Matematikçiler size prensipte bunun mümkün olduğunu söyleyecektir, çünkü kuantum dünyasını tanımlayan denklemler zaman içinde tersine çevrilebilir. Ama birinin denemesini nefesini tutarak beklemeyin.
Philip Ball'un belirttiği gibi, uyumsuzluk çok hızlı bir şekilde, gözlemlenebilir evrendeki temel parçacıkların sayısını aşan çok sayıda kuantum durumunun üst üste binmesine eşdeğer tutarsız bir duruma yol açar. Ball şu soruyu sordu: "Evrende onu çözmek için yeterli bilgi olmadığı için bir sorun kesinlikle çözülemez ilan edilebilir mi?" Ball ayrıca sistemin uyumunun çözülmesi için gereken süreye ilişkin bazı tahminler verdi. Büyük nesneler, diğer nesnelerle ve birbirleriyle etkileşime girebilen daha fazla parçaya sahip oldukları için daha hızlı çözülür. Havada yüzen ve çevredeki moleküller tarafından bombardımana tutulan bir toz zerreciğinin çözülmesi, ışık hızında hareket eden bir fotonun bir protonun çapına eşdeğer bir mesafe kat etmesinden daha kısa sürer. Yıldızlararası uzayda bile, serbestçe yüzen ve yalnızca CMB fotonları ile etkileşime giren bir toz tanesi, yaklaşık bir saniye içinde dekohere olur. "Tüm pratik amaçlar için, uyumsuzluk anlık ve kaçınılmazdır." Bu aynı zamanda ünlü Schrödinger'in kedisi için de geçerlidir. "Aynı anda hem ölü hem de diri" olmak için, bu kedinin neredeyse inanılmaz tutarlı bir saf kuantum halinde "hazırlanmış" olması gerekir. Bir SQUID'i saf kuantum halinde hazırlamak başka bir şeydir ve bunu bir kedi ile yapmak tamamen başka bir şeydir. Ve eğer başarılı olursanız, o zaman kuantum kedisi, havada yüzen bir toz zerresinin şifresini çözmesinden daha hızlı bir şekilde ya ölü bir kediye ya da canlı bir kediye dönüşür.
Ayrıca Kopenhag yorumuna yönelik felsefi itirazlardan birini de geçersiz kılar. Kelimenin tam anlamıyla ele alındığında CI, gözlemlenmediği veya ölçülmediği sürece "hiçbir şeyin gerçek olmadığını" belirtir. Bir kutudaki bir kedinin, üst üste binmiş hallerde var olabileceğini varsayalım. Ama sonra, bu fikrin muhalifleri soruyor, Ay kimse ona bakmadığında mı var yoksa tüm bu süre boyunca olası tüm kuantum durumlarının bir süperpozisyonunda mı? Dünya'da yaşamın ortaya çıkmasından önce bu anlamda var mıydı? Bohr'un bu sorulara tatmin edici yanıtları yoktu. Eşevresizlik ile yorumlama onlara verir - Güneş ışığından bahsetmeye gerek yok, CMB fotonları, eşevresizliğe neden olmak ve Ay'ı "gerçek" yapmak için oldukça yeterlidir.
Ancak, bu hikayenin sonu değil. Eşevresizlik fikrini yalnızca “burada ve şimdi” durumunda (karmaşık bir evrende “burada ve şimdi” ne anlama geliyorsa) kullanmak yerine, bu düşünce tarzını tüm tarihe uygulamaya karar veren insanlar vardı - veya Evrenin tüm geçmişleri. Sonuç olarak, kendi başına bir yorum olan, tutarlı hikayelerin bir yorumu olan şey, tutarsız hikayelerin bir yorumu haline geldi. Ama "tutarlılık"tan bahsettiğimiz noktadan başlayacağım.
Kuantum dünyası (ya da genel olarak dünya) hakkında yalnızca görebildiğimiz ve ölçebildiğimiz şeyleri bildiğimiz fikrine dayanır. Bir deney veya ölçüm yapmadan önce, yalnızca çeşitli sonuçlarının olasılığını hesaplayabiliriz. Ancak bir ölçüm yapmaya değer - ve bir anlamda, çeşitli olası seçenekler arasından seçilen belirli bir sonuç elde ederiz. Tutarlı tarihlerle ilişkilendirilen yaklaşımın tartışması, ölçümün sonucu ne olursa olsun, yani dünyada ne olursa olsun, tüm bunların geçmişle, tarihle tutarlı olması gerektiğidir. İki delik deneyinde elde edilen girişim desenine baktığımızda kesin olarak söyleyebileceğimiz tek şey, ekrandaki desenin, dalgaların deliklerden geçip birbiriyle girişim yapması gerçeğiyle tutarlı olduğudur. Işık, metal bir yüzeyden bir elektronu vurduğunda, bunun yalnızca ışığın bir foton biçiminde gelmesi gerçeğiyle tutarlı olduğunu söyleyebiliriz .
Tüm bunların kozmolojik sonuçları bilim camiasında geniş çapta tartışıldı, özellikle Stephen Hawking ve meslektaşları tartışmaya katıldı. Hawking, evreni kuantum terimleriyle anlamaya yönelik geleneksel yaklaşımı "aşağıdan yukarıya" analiz olarak tanımladı. Dalga fonksiyonlarının bir süperpozisyonu olarak başlangıçta evrenin neye benzediğini tahmin etmeye çalışarak başlayın ve ardından bugün onu gördüğümüz yere nasıl geldiğini anlamaya çalışın. Hawking'in kendisi, evrenin mevcut durumuyla başlayıp adım adım, uyum içinde, geçmişe doğru gittiği yol boyunca ilerlediğiniz ve hangi dalga fonksiyonlarının evrenin oluşumuna katkıda bulunduğunu belirlemeye çalıştığınız alternatif bir yukarıdan aşağıya yaklaşımı tercih etti.
Sorun şu ki, gözlemlenebilir bir sonuca götürebilecek birden fazla benzersiz yol olabilir (ve genellikle vardır) - birden fazla tutarlı hikaye vardır. Bu şekilde yeniden inşa edilebilecek tek bir "evrenin tarihi" yoktur. İki delik deneyinin elektronik versiyonunda, bir elektron ekranda belirli bir noktaya ulaşırsa, tam olarak hangi delikten geçtiğini söylemek mümkün değildir. Her iki olası tarih de gördüğümüz şeyle oldukça tutarlı. Ve bir bütün olarak dünya, iki delikli deneyden çok daha karmaşık ve çok daha geniş bir tutarlı hikayeler yelpazesi sunuyor. Buna daha sonra döneceğim, ancak önce şu soruyu cevaplayacağız: bu olay örgüsünde uyumsuzluk nerede ortaya çıkıyor?
Her "boyut" - her kuantum etkileşimi - bir dizi olası geçmişten birini seçerse, o zaman yörüngenin zamanda geriye, Büyük Patlama'nın kendisine (ve belki daha da ilerisine, ama o kadar ileri gitmeyeceğim) geri dönüşü hayal edilebilir. ve uyumsuzluk (ve bu kadar) tarihin tutarlı versiyonlarını seçecektir. Başlangıçta her şey mümkündür. Ancak ilk kuantum etkileşimleri gerçekleşir gerçekleşmez, bazı olasılıklar ortadan kalkar ve farklı evrenlerin çeşitliliği azalır. Yani, tutarlı geçmiş evrenlerin çeşitliliği azalır. Bu, olası dünyalar arasından evrenimizin (ama ve bu önemlidir, sadece bizimkinin değil ) tarihini seçerek günümüze kadar devam eder. Tutarsız hikayeler yaklaşımı, benzersiz bir evren seçmez. Hayır, birçok dünya varyasyonuna geri döndük, ama ona farklı bir şekilde varıyoruz. Birçok dünya fikrini "birçok hikaye" fikrine dönüştürmek için uyumsuzluğu kullanma olasılığı, bazı fizikçiler için baştan çıkarıcı görünüyordu, çünkü bu, paralel, eşit derecede gerçek dünyalar biçimindeki fazla bagajdan kurtulmamıza izin verdi ve onları olasılıklar arasında yalnızca hayalet durumlar olarak var olan çeşitli geçmişlerle değiştirin. Ancak 1990'ların ortalarında İşlerin o kadar basit olmadığı anlaşıldı. Bir konferansta, Kanada Çevre Teorik Fizik Enstitüsü'nden Lee Smolin, Faye Douker'ın bu olasılıklar hakkında konuştuğunu duydu ve daha sonra Kuantum Yerçekimine Giden Üç Yol adlı kitabında tanımladığı bir fikirden etkilendi:
Parçacıkların belirli koordinatlara sahip olduğu, gözlemlediğimiz "klasik" dünya, belki de tutarlı dünyalardan biri olsa ve bazı teorik çözümlerle tanımlansa da, Docker ve [Adrian] Kent'in sonuçları, sonsuz sayıda parçacık olması gerektiğini gösteriyor. diğer dünyalar Dahası, bu noktaya kadar klasik olan sonsuz sayıda tutarlı dünya vardı, ancak beş dakika içinde bizim dünyamızdan tamamen farklı olacak. Daha da rahatsız edici olanı, artık klasik olan ancak geçmişte herhangi bir noktada klasik [dünyaların] üst üste binmelerinin keyfi karışımları olan dünyalar vardı… Tutarlı tarihlerin yorumu doğruysa, fosillerin varlığından öyle bir sonuç çıkarma hakkımız yok. yüz milyon yıl önce Dinozorlar gezegenimizde dolaşıyordu .
Tüm hikayeler eşit derecede gerçektir ve dünyamızın tek gerçek hikayesi olarak algıladığımız şey, sorduğumuz sorulara bağlıdır. Tıpkı elektronlarla yapılan deneyde olduğu gibi: dalgaları ararsak dalgaları buluruz ve parçacıkları ararsak parçacıkları buluruz. Geçmişte dinozorların varlığına dair kanıt ararsak, geçmişte dinozorların varlığıyla tutarlı bir hikaye buluruz. Bu, geçmişte "gerçekten" dinozorların olduğu anlamına gelmez; sadece dünyanın mevcut durumunun dinozorların geçmişte var olma olasılığıyla çelişmediği anlamına gelir. Smolin'in bu vesileyle söylediği gibi, sonuç "soru değil, cevapları formüle edebileceğimiz bir teori" idi.
"Bizim ve sizinkine" uygun olduğundan değil, ancak tercihlerinize bağlı olarak, uyumsuzluk yorumunda Kopenhag veya birçok dünya yorumunun bir varyantını görebilirsiniz. Hiçbiri damak zevkinize uymuyorsa merak etmeyin. Belki de Ensemble yorumunda teselli bulabilirsiniz.
Teselli 5
Topluluğun yorumlanmaması
Topluluk yorumu, Kopenhag yorumuna ilk ve en basit alternatifti. Bu arada, Albert Einstein'ın tercih ettiği kişi oydu:
Kuantum-kuramsal tanımlamayı bireysel sistemlerin eksiksiz bir tanımlaması olarak ele almaya çalışırken, kuramın doğal olmayan bir yorumuna varıyoruz. Böyle bir tanımlamanın bireysel sistemlere değil, bir sistemler topluluğuna atıfta bulunduğu görüşünü kabul edersek, o zaman bu tür doğal olmayan yorumlara olan ihtiyaç ortadan kalkar .
Bu fikrin ana modern savunucusu olan Kanada'daki Simon Fraser Üniversitesi'nden Leslie Ballentine, "Einstein'ın birçok fizikçinin varsayılan yorumuna yönelik eleştirisi, kuantum durum fonksiyonunun [dalga fonksiyonu] tek bir sistemi tanımlamadığı, bunun yerine, benzer sistemlerden oluşan bir topluluk.” Ancak bu "yorum" aslında hiçbir şeyi yorumlamaz. Basitçe, kuantum dünyasında tuhaf görünen her şeyin istatistik (bazen istatistiksel yorumlama olarak adlandırılır) açısından açıklanabileceğini belirtir. Daha çok, olay yerindeki bir polis memuruna benziyor, kalabalık izleyicileri "Burada görülecek bir şey yok, lütfen içeri gelin" diye ikna ediyor.
Bu, belirli topluluklarla ilgili istatistikleri ifade eder. Ancak topluluklar, bu terimden söz edildiğinde çoğu insanın aklına gelen şey değildir. Günlük dilde topluluk, ortak bir özelliği paylaşan veya birlikte çalışan, örneğin bir yaylı çalgılar topluluğu gibi bir grup nesnedir. Bir istatistikçi için bir topluluk, örneğin 600 aynı zardan oluşan bir set olabilir. Hepsini aynı anda atarsanız, o zaman olasılık yasalarına göre, yaklaşık 100 altılı, yaklaşık 100 beşli, yaklaşık aynı sayıda dörtlü, üçlü, ikili ve birli olmasını bekleyebiliriz. Ancak aynı istatistiksel sonucu farklı bir şekilde elde edebilirsiniz: Mükemmel bir zar alın ve 600 kez atın. O zaman altının yaklaşık yüz kez, beşin - ayrıca yaklaşık yüz kez vb. düşmesini bekleyebiliriz. Kuantum fizikçilerinin aklındaki bu tür topluluklardır. Gaz molekülleriyle dolu bir kaba topluluk denilemez, ancak üzerinde aynı deneyin yapıldığı gazlı bir dizi özdeş kap çağrılabilir. İdeal olarak, bu "denemelerin" her birinin sonucunu takip ederek, aynı parçacık üzerinde aynı deneyi birçok kez yapmalısınız. topluluk bu . Sonuçlar, Max Born'un geliştirdiği kurallara göre bir olasılık dağılımı izleyecektir.
Böyle bir deneyi pratikte gerçekleştirmek çok zor olurdu ama mesele bu değil. Bir çift yarık deneyinin düzeneğinden aynı anda geçen ve diğer tarafa kaydedilen bir milyon elektronun değil, aynı elektronun düzeneğin içinden bir milyon kez geçtiğini düşünün. Bu durumda her seferinde elektronun diğer tarafta geçtiği noktanın konumu not edilir. Bu yorumun savunucularının çok sevdiği temel nokta, bu durumda parçacıkların kelimenin günlük anlamıyla her zaman gerçek parçacıklar olmasıdır. Buradaki dalga fonksiyonu bireysel parçacıklar için geçerli değildir, bu nedenle, örneğin her bir elektronun pozitif veya negatif dönüşü vardır, ancak çok sayıda parçacığınız olduğunda, tek bir elektronu test ederken her seçeneği bulma olasılığı (ceteris paribus) 50'dir. / 50. Dalga-parçacık ikiliği, üst üste binme ve ölü-canlı kediler yoktur. Elbette aynı kediyi kullanarak yüz veya daha fazla deney yapmak zor olacaktır, ancak bunu sırayla yüz kedi ile yaparsanız, topluluk yorumuna göre yarısı hayatta kalacak ve yarısı ölecektir. , ancak tek bir kedi süperpozisyonda olmayacaktır.
Baştan çıkarıcı geliyor. İşte burada, sağduyu. Ancak Ewan Squires'ın işaret ettiği gibi, "[yorumlama] sorunlarını çözdüğümüzü iddia edemeyiz. Onları görmezden geldik ... ayrı sistemler var. Ancak bu pratikte nasıl çalışmalı? Kuantum teorisinde sıklıkla olduğu gibi, bir sistem (bu durumda bir topluluk) incelendiğinde veya dış dünyayla başka bir şekilde etkileşime girdiğinde ne olduğunu anlamaya çalışırken sular belirgin şekilde bulanıklaşır. Bir sistem hazırlamak, bir miktar rastgelelik içerir ve onu gözlemlemek, başka bir rastgelelik katmanı ekler. Yine sistemin nerede bitip dış dünyanın nerede başladığını belirleme sorunuyla karşı karşıyayız (eşevresizlik yorumunda tüm Evrene uzanan dolaşıklık örneğinde olduğu gibi). Bazen topluluk yorumunu desteklemek için alıntılanan dış dünya ile böyle bir etkileşime bir örnek, sözde "denetimli çaydanlık" deneyidir.
durumdan diğerine nasıl geçiş yaptığı hakkında hiçbir şey söylememeleridir. Denklemlerde dalga fonksiyonunun çöküşünü açıklayan hiçbir şey yoktur. Ve tek bir deney, çökme sürecindeki tek bir dalga fonksiyonunu kaydetmedi. 1954 gibi erken bir tarihte Alan Turing, sürekli "gözlemlenen" bir kuantum sisteminin asla değişmeyeceğine işaret etti. O yazdı:
özdurum ) gözlenirse ve bu gözlemlenebilirin ölçümleri saniyede N kez yapılırsa, sistemin durumu durağan olmasa bile, göstermek kolaydır. diyelim ki bir saniye boyunca aynı durumda olma olasılığı, N'nin sonsuza meyletmesi gibi bire meyletmesi; yani, sürekli gözlemler herhangi bir hareketi engelleyecektir .
Fizikçiler bunu farklı şekillerde açıklamaya çalışırlar. İşte bir versiyon. Dışa doğru yayılan ve o sistemi başka bir durumda bulma olasılığını kademeli olarak artıran bir olasılık dalgasıyla, iyi tanımlanmış bir durumda bir sistem hayal edin. Biraz daha beklerseniz - bir göz atın! - muhtemelen onu farklı bir durumda görebileceksiniz. Ancak ona çok hızlı bakarsanız, olasılığın değişmek için zamanı olmayacak ve sistem aynı durumda kalacaktır. Bir ara durumda olamaz çünkü ara durumlar yoktur. Bu, dalganın aynı konumdan yeniden yayılmaya başlaması gerektiği anlamına gelir. Sisteme yeterince sık bakın ve asla değişmeyecek. Her zaman bakarsanız kuantum "çaydanlık" asla kaynamaz. Turing'in öngördüğü buydu ve tahmini zaten deneysel olarak doğrulandı.
Tüm bu deneyler aynı temanın varyasyonlarını içerir. Kural olarak, bir "çaydanlık", elektrik ve manyetik alanlar tarafından yakalanan berilyum gibi bazı elementlerin birkaç bin iyonudur. Bir iyon, bir veya daha fazla elektron kaybetmiş ve sonuç olarak pozitif yüklü bir atomdur ve bu tür alanlarla manipüle edilmesini kolaylaştırır. İyonlar, daha düşük bir enerji seviyesine düşerek, çıkmak “istedikleri” bir enerji durumunda önceden hazırlanırlar. Sistemin durumu, belirli bir süre boyunca kaç tane iyonun temel duruma geçtiğini belirlemek için lazerler kullanılarak ustaca bir teknik kullanılarak gözlemlenebilir.
Tipik bir deneyde, 128 ms sonra, iyonların yarısının temel duruma geçtiği ortaya çıktı. Lazer, başladıktan 64 ms sonra sisteme "baktıysa", iyonların yalnızca dörtte birinin temel duruma geçtiği ortaya çıktı. Lazer her 4 ms'de bir yanıp söner ve sistemi 256 ms'de 64 kez kontrol ederse, bu süre sonunda neredeyse tüm iyonların orijinal hallerinde olduğu ortaya çıktı. Dalga fonksiyonumuza karşılık gelen olasılık açısından, bu "kaynama" başarısızlığı, 4 ms sonra bir iyonun zaten temel duruma geçmiş olma olasılığının yalnızca %0,001 olması, dolayısıyla iyonların %99,99'unun hala olması gerektiği gerçeğiyle açıklanır. 1. seviyede kalın. Ve bu her 4 ms'lik aralık için geçerlidir. Gözlemler arasındaki aralık ne kadar kısa olursa, açıklanan etki o kadar güçlü olur. Dalga fonksiyonları izlenirken asla çökmez. Öyleyse neden çöktüklerini varsayalım? Ballentine, yapmadıklarını ve yukarıda açıklanan fenomenin topluluk yorumu lehine deneysel kanıtlar olduğunu savunuyor.
Bununla birlikte, topluluk yorumunun ciddi bir sorunu vardır. Açıkça, dalga fonksiyonunun bireysel kuantum nesnelerine uygulanmadığını ve durumların üst üste binmesinin mevcut olmadığını belirtir. Ancak bugün deneyciler sessizce, rutin olarak elektronlar gibi tek tek kuantum nesnelerini, bir dalga fonksiyonu tanımını izliyor gibi göründükleri durumlarda (kuantum hesaplama gibi) ve SQUID halkasının tek bir makroskopik kuantum nesnesini gösterme yeteneğine sahip göründüğü durumlarda (kuantum hesaplama gibi) manipüle ediyorlar. bir elektron dalgası, süperpozisyonda olan, her iki yönde aynı anda hareket eder.
Bunun topluluk yorumu fikrine öldürücü bir darbe olduğunu düşünürdüm ama Lee Smolin onu yeni bir enkarnasyonda yeniden canlandırdı.
Topluluk Yorumunun (AI) yeni versiyonu, halihazırda deneysel olarak gösterildiği gibi, Evrenin önemli bir özelliği olan yerel olmama kavramını içerir. Einstein, desteklediği yorumun bu tür metamorfozlarından muhtemelen memnun olmayacaktı. Ancak Smolin onları o kadar çok seviyor ki, hiç utanmadan, versiyonuna gerçek bir topluluk yorumu (NAI) diyor. Temel fark, eğer geleneksel AI'da bir topluluğun üyelerinin hepsi aynı anda var olamıyorsa, o zaman Smolin'in versiyonunda aynı anda gerçek olmalarıdır. Kısaca ve noktaya getirmek için, fizikçiler tarafından kullanılan bir jargon eklemeliyiz. Topluluğun olası kuantum bileşenlerine (diyelim ki hidrojen atomları) "beables" ( mümkün - yapabilmek, yapabilmekten) diyorlar, çünkü bunlar prensipte var olabilecek nesnelerdir. Ancak, tek seferde 600 zar atmak yerine 600 kez tek bir zar atma durumunda olduğu gibi, hepsinin aynı anda var olması gerekmez. Smolin'e saygımdan dolayı NAI adını vereceğim kavram, bir topluluğu oluşturan tüm beable'ların, arka arkaya 600 kez atılan bir zar gibi değil, birlikte atılan 600 zar gibi, doğada aynı anda var olduğudur. Herhangi bir zamanda herhangi bir kuantum sistemi, olasılıkların değerleri tarafından belirlenen çok özel bir durumla karakterize edilir.
Smolin, evrendeki gerçek bir sistemin davranışını etkilemesi gereken her şeyin, evrendeki gerçek bir sistem olması gerektiği şeklindeki makul ilkeyle başlar. "'Potansiyellerin gerçekleri etkilemesinin' ürkütücü bir yolu olduğunu hayal etmek kabul edilemez" diyor. Örneğin, pilot dalganın yorumunda dalga, evrenin gerçek bir özelliğidir, bir tür olasıdır ve bir tür korkunç "olasılık dalgası" değildir. Ancak bu yorum, Smolin'in öne sürdüğü başka bir varsayımla çelişiyor: Doğanın hiçbir yerinde "cevapsız eylem" olmamalıdır. Aslında bu, klasik sistemlerde etki ve tepkinin büyüklük olarak eşit ve yön olarak zıt olduğunu söyleyen Newton'un üçüncü yasasının bir uzantısıdır. Ancak pilot dalga ile yorumlamada, dalga parçacığı etkiler, ancak parçacık dalgayı etkilemez - karşı koymaz. Aynı zamanda Smolin'in tanımladığı toplulukta, topluluğu oluşturan yetenekler karşılıklı olarak birbirlerini etkileyerek iki delikli deney gibi deneylerde gördüğümüz davranışı doğurur. Ve topluluğun tüm bileşenleri gerçekse, aralarında yeni (önceden keşfedilmemiş anlamda) etkileşimler olmaması için hiçbir neden yoktur.
Smolin, temel durum olarak adlandırılan en düşük enerji durumlarındaki hidrojen atomlarına bir örnek verir. Evrende tüm bu tür hidrojen atomlarından oluşan bir topluluk var - gerçek olasılıklardan oluşan gerçek bir topluluk. Bileşenleri birbirleriyle yerel olmayan bir şekilde etkileşime girer, bu sayede beables, bu kuantum durumlarıyla ilişkili olasılık kurallarına göre birbirlerinin durumlarını kopyalar. Kopyalama olasılıkları, bileşenlerin uzayda tam olarak nerede olduğuna bağlı değildir, ancak toplulukta olasılıkların dağıtılma şekline bağlıdır. Kuantum istatistikleri, temel durumdaki hidrojen atomlarının bulunacağı konumların bir listesini derlemenizi sağlar, ancak hangi hidrojen atomunun hangi konumda olduğunu söylemenize izin vermez. Smolin, beable çiftlerinin birbirini nasıl etkilediğiyle ilgili birkaç basit kurala dayanarak, bu işlemin kuantum sistemlerinin tüm gözlemlenebilir davranışlarını elde etmenizi sağladığını matematiksel olarak gösterebildi. Ayrıca kediler ve insanlar gibi nesnelerin neden süperpozisyonda olamayacağını da açıklayın.
Lee Smolin
Nir Bareket
Smolin, kuantum mekaniğinin, temel durumdaki hidrojen atomları gibi birden fazla örnekte var olan evrenin küçük alt sistemlerine uygulandığını söylüyor. Ancak kediler ve insanlar gibi makroskobik sistemlerin Evren'in hiçbir yerinde kopyası yoktur ve etkileşim halindeki kuantum güçlerinin katılımıyla gerçekleşen kopyalama sürecinden etkilenmezler. Bu anlamda, etkileşime girecek hiçbir şeyleri yok.
Bundan birkaç ilginç sonuç çıkar. Birincisi, evren sonlu olmalıdır. Sonsuz bir evrende, sizin sayısız kopyanız olacaktır, dolayısıyla Smolin denklemlerinin tarif ettiği etkileşimler sizi etkileyecek ve bir kuantum parçacığı gibi davranacaksınız! İkincisi, Smolin basit matematiksel kurallardan sadece Schrödinger dalga denkleminden değil, aynı zamanda klasik mekaniğin yasalarından - Newton yasaları, vb. – kuantum mekaniğinin yaklaşık bir versiyonu olarak.
Bununla birlikte Smolin, kuantum mekaniğinin kendisinin evrenin daha derin bir tanımının yaklaşık bir versiyonu olduğundan şüpheleniyor (onu bu karanlık suların derinliklerine dalmaya iten şey buydu) ve bu böyleyse, o zaman FTL sinyali olduğunu söyleyecek kadar ileri gidiyor. oldukça mümkün olabilir. Henüz teorinin son versiyonuna gelmemiş olmamız bir anla kanıtlanıyor. Olasılıkların etkileşiminin benzersiz bir kozmik zamanın varlığını ima ettiğini (bu etkileşimlerin aynı anda gerçekleşebilmesi için) zaten fark etmiş olabilirsiniz ve bu, görelilik teorisinin genişletilmesini gerektirir . "Kuantum fiziği" diyor Smolin, "farklı bir dilde formüle edilmiş bir tür kozmolojik teorinin yaklaşık bir versiyonu olmalıdır."
Evrende var olan sistemlerin az sayıda kopya halinde, yani mikroskobik ve makroskopik dünyalar arasındaki sınırda katılımıyla yapılan deneylerde bu temel yasaların aranması mümkündür. Kuantum bilgisayarlarla yapılan deneylerin, Evren'de bir yerlerde onların kopyalarının olup olmadığını anlamamıza izin vermesi olasıdır. Topluluğun boyutuna bağlı olarak kuantum fiziği düzeltmeleri tarafından üretilen gerçek gözlemlenebilir etkiler bulunabilir.
Bütün bunlar kulağa çılgınca geliyor ama Smolin bize bir şeyi hatırlatabilir. İnsanların Güneş'in gezegenlerin dinamik davranışını etkilediğine inanmasının zor olduğu zamanlar oldu, çünkü bu, uzaktan anlaşılmaz bir eylem anlamına geliyor. Daha önce de belirttiğim gibi, Newton bile her şeyin nasıl çalıştığını açıklamaya çalışmadı ve kendisini Hipotez olmayan fingo olmayan ünlü yanıtla sınırladı - "Ben hipotez icat etmiyorum." Mevcut topluluk yorumu (NAI), varlıklar arasında "yeni" yerel olmayan bir etkileşim türü sağlar, ancak bu bizi yüz yıldan biraz daha uzun bir süre önce Güneş ve Dünya arasındaki etkileşimden daha fazla rahatsız etmemelidir. bir tür "yeni" etkileşim türü tarafından tanımlandı ve şimdi genel görelilik teorisi tarafından tanımlandı. Fizikçi olmayanlar için, yerel olmama, yabancılığı nedeniyle ürkütücü görünüyor, ancak giderek artan sayıda fizikçi için yerçekimi kadar kabul edilen bir gerçek haline geldi. Sonuçta, kahvaltıdan önce sindirmek o kadar da zor değil. Mekânı umursamayan etkileşimler, çevreleyen dünyanın yerleşik bir özelliğidir. Peki ya zamanı umursamayan etkileşimler? Burada teselli bulabilir miyiz?
teselli 6
Zamansız işlem yorumu
Kuantum mekaniğinin işlemsel yorumunun (TI) kökleri, Albert Einstein'ın ilgisini çeken ışığın doğasının gizeminde yatmaktadır. Einstein'ı özel görelilik kuramını yaratmaya iten ışığın doğası üzerindeki bu yansımaydı ve bu tek başına soruyu ciddiye almak için yeterli. Büyük fizikçinin özel teorisi, ışığın ve diğer tüm elektromanyetik radyasyonun davranışını tanımlayan denklemlerden, ışık hızının herkes için aynı ve sabit olduğu sonucuna varılmasıyla yönetildi (şimdi bu sabit c olarak yazılmıştır). ) . Bana bir el feneri ışını doğrultursanız ve ben sadece yanınızda durursam, o zaman bir el fenerinden gelen ışığın hızını ölçerken, elde edeceğim c . Ama yüksek hızda size doğru koşsam veya sizden uzaklaşsam bile, bir el fenerinin ışık hızını ölçerken yine de c değerini alacağım . Einstein bu basit gerçekten görelilik kuramını çıkardı.
Diğer şeylerin yanı sıra ışık hızının herhangi bir gözlemci için aynı olduğunu söyleyen denklemler, Maxwell denklemleri olarak bilinir ve onları keşfeden 19. yüzyıl fizikçisinin adını taşır. Ancak James Clark Maxwell'in denklemlerinin başka bir ilginç özelliği daha var. Zaman içinde simetriktirler. Elektromanyetik radyasyon içeren herhangi bir problemde - örneğin hareket eden bir elektronla ilişkili radyasyon - bu denklemlerin her zaman iki çözümü vardır. Biri, bir kaynaktan gelen ve dış dünyada çok uzaklarda bir yerde emilmek üzere zamanda ileriye doğru hareket eden sözde gecikmeli bir dalgayı tanımlar. Diğeri, orada bir yerlerdeki soğuruculardan gelen ve gelecekten bir radyasyon kaynağı olarak algıladığımız şeye (bu durumda, hareketli bir elektrona) yakınsayan bir "öncü" dalgayı tanımlar. Çoğu fizikçi bu "gelişmiş" çözüme dikkat etmez. Ancak 1909'da Einstein şöyle dedi:
İlk durumda, elektrik alanı, emisyon işlemlerinin toplamından, ikincisinde - absorpsiyon işlemlerinin toplamından hesaplanır ... Tıpkı emici gövdeyi zihinsel olarak çıkarabileceğiniz gibi, her zaman iki eşitlikten herhangi birini kullanabilirsiniz. Dolayısıyla, [geciktirilmiş çözümün], [geciktirilmiş ve ilerletilmiş dalgaların lineer birleşimi olan] çözümden daha özel olduğu sonucuna varılamaz .
ve herhangi bir mesafeden kaldırabilirsiniz . Bu sadece komşularıyla etkileşime giren elektronlar için değil, örneğin Dünya'dan Evren'e yayılan televizyon sinyalleri için de geçerlidir. Bu süreci açıklayan denklemler her zaman Evrenin derinliklerinden bu sinyallerin iletildiği antenlere yakınsayan önde gelen dalgaları tanımlayan bir çözüm içerir. Burada, daha önce gördüğümüzden farklı (ya da aynı mı?) bir yerel olmama tipine dair bir ipucu var, ama tabii ki 1909'da Einstein bunu düşünmedi.
Bu fikri ciddiye alan çok az kişiden biri, 1940'larda Princeton'da yüksek lisans öğrencisi olan Richard Feynman'dı. Danışmanı John Wheeler'ın tavsiyesi üzerine, başka bir yüklü parçacıkla etkileşime girerek, bir elektronun yarı dalga halinde geleceğe ve geçmişe yayıldığı fikrini geliştirdi. Bu dalganın başka bir yüklü parçacıkla buluştuğu yerde, ikincisi dalganın kendi yarılarını zamanda ileri ve geri yayar. Feynman'ın versiyonuna göre, iki yarım dalga, müdahale ederek, bu iki parçacık arasındaki büyütüldükleri ve tam bir dalga oluşturdukları boşluk dışında her yerde birbirini telafi eder. Feynman, Princeton'da bu konuda bir konuşma yaptığında, dinleyiciler arasında Einstein ve Wolfgang Pauli de vardı. Pauli, bu fikrin işe yarayacağını düşünmediğini söyledi ve Einstein'a kabul edip etmediğini sordu. "Hayır," dedi Einstein, "bana öyle geliyor ki yerçekimi etkileşimi için uygun bir teori yaratmak çok zor olacak."
Bu tür bir desteğe rağmen, fikir uzun süre sahipsiz kaldı çünkü kimse gelecekten gelen dalgalara inanmadı. Ancak 1970'lerin sonunda. Henüz lisansüstü okuldayken Feynman'ın fikrinden etkilenen Seattle'daki Washington Üniversitesi'nde öğretim üyesi olan John Cramer, aniden onun kuantum mekaniğine nasıl dahil edilebileceğine dair bir fikir edindi. Çoğu zaman olduğu gibi, Cramer'ın amacı açık görünüyor - ama sadece birisi bunu söylediği andan itibaren.
Cramer, ilişkilendirildiği parçacık belirli bir konumda kaydedildiğinde kuantum sistemindeki bir "olasılık dalgasına" ne olduğu fikrinden ilham aldı. Diğer tüm yerlerdeki dalga, şu anda ortadan kaybolması gerektiğini nasıl "biliyor"? Cramer, bir Florida sahilinden Atlantik Okyanusu'na atılan bir şişeyle bir benzetme yaptı. Bunun bir kuantum şişesi olduğunu ve tüm okyanusa yayılan ve Avrupa'ya ulaşan bir dalgada kaybolduğunu hayal edin. Şişe İngiltere'de bir kumsalda bir yerde biter ve tam o anda tüm okyanusa yayılmış dalgalar kaybolur. Cramer, ileri ve geri dalgaların olması gerektiğini ve bu dalgaların her yerde "kuantum tokalaşmaları" ürettiğini fark etti. Yalnızca gelişmiş dalgalar biçiminde "yankılar" üreten geciktirilmiş dalgaların parçacıkların konumunu etkileyebileceğini fark etti - parçacıkların A noktasından B noktasına gizemli kuantum mekaniksel aktarımı (veya bir enerji seviyesinden diğerine geçişi). onları ayıran boşluk. İngiltere'deki şişeden gelen dalgalar, benzersiz bir bağlantı kurmak ve diğer tüm dalgaları iptal etmek için okyanus boyunca zamanda geriye Florida'ya gitti. Cramer burada, dalgaların parçacıklara nereye gideceklerini söylediği, ancak temelde "el sıkışma"nın zamanda geriye doğru kabulünün olmadığı pilot dalga modeliyle bir benzerlik gördü.
Bu aynı zamanda EPR bulmacasını da açıklar. Bir zamanlar birbirleriyle etkileşime giren iki parçacık, daha sonra bir "el sıkışma" ile, yani aralarında ve etkileşimlerinin yeri arasında doğrulanmış bir temasla bağlı kalır. Tüm bunlar, ünlü Schrödinger denkleminin (Cramer'e göre) doğru tanımıyla bağlantılıdır .
Emici teorisini kuantum mekaniğine uygulamak için, Maxwell denklemleri gibi iki çözümü olan bir tür kuantum denklemine ihtiyacımız var. Bunlardan biri geleceğe akan bir pozitif enerji dalgasına karşılık gelirken, ikincisi geçmişe akan bir negatif enerji dalgasını tanımlar. İlk bakışta Schrödinger denklemi, geçmişten geleceğe doğru yön olarak yorumladığımız tek yönlü akışı tarif ettiği için bu tanıma uymamaktadır. Bununla birlikte, üniversitedeki herhangi bir fizikçiye denklemin yaygın olarak kullanılan versiyonunun eksik olduğu söylenir (çoğu insan bunu çabucak unutur). Kuantum biliminin kuantum öncüleri bile Schrödinger denkleminin görelilik teorisinin gerekliliklerini dikkate almadığını fark ettiler. Çoğu durumda fark etmez - bu nedenle fizik öğrencileri ve hatta çoğu kuantum mekaniği denklemin basit versiyonunu kullanır ve hiçbir şey için endişelenmez. Bununla birlikte, relativistik etkileri gerektiği gibi hesaba katan dalga denkleminin tam versiyonu, Maxwell denklemlerini çok daha fazla anımsatıyor. Özellikle, iki çözüm seti vardır, bunlardan biri iyi bilinen basit Schrödinger denklemine karşılık gelir, ikincisi ise negatif enerjinin geçmişe akışını tanımlayan Schrödinger denkleminin bir tür ayna görüntüsüne karşılık gelir.
Bu ikilik, kuantum mekaniği alanındaki olasılıkların hesaplanmasında açıkça ortaya çıkıyor. Bir kuantum sisteminin özellikleri, durum vektörü olarak adlandırılan ve karşılığında Schrödinger dalga denklemi ile tanımlanan matematiksel bir ifade ile tanımlanır. Genel olarak, bu karmaşık bir sayıdır, yani eksi birin ( i ) karekökünü içeren bir sayıdır . a ve b sıradan sayılarsa, o zaman ( a + ib ) , ( a - ib ) gibi bir karmaşık sayı olacaktır. Örneğin, belirli bir zamanda belirli bir yerde bir elektron bulma şansını belirlemek için gereken olasılığın hesaplanması, elektronun bu özel durumuna karşılık gelen durum vektörünün karesinin hesaplanmasına indirgenir.
Ancak karmaşık bir değişkenin karesini hesaplamak, onu basitçe kendisiyle çarpmak anlamına gelmez. Bunun yerine, hayali kısmın önündeki işareti değiştirerek başka bir değişken - ilkinin ayna görüntüsü, karmaşık eşlenik olarak adlandırılır - yaratmanız gerekir: +, - olur ve tersi de geçerlidir. Dolayısıyla, ( a – ib ) ve ( a + ib ) karmaşık eşlenik niceliklerdir. Olasılığı hesaplamak için bu iki karmaşık sayı birbiriyle çarpılır. Ancak sistemin zaman içindeki değişimini tanımlayan denklemler için, sanal kısmın işaretini değiştirmek ve karmaşık eşlenik sayıyı bulmak, zamanın akış yönünü tersine değiştirmekle eşdeğerdir! Max Born tarafından 1926'da önerilen temel olasılık denklemi, zamanın doğasına ve biri ileri dalgaları, diğeri geri kalmış dalgaları tanımlayan iki tür Schrödinger denkleminin var olma olasılığına açık bir referans içerir.
Bundan, 1926 gibi erken bir tarihte, bir fizikçi ne zaman basit bir Schrödinger denkleminin karmaşık eşlenikini alıp kuantum olasılığını hesaplamak için kullansa, farkına varmadan bu denklemlerin önde gelen dalga ve zamanda geriye doğru hareket eden dalgaların etkisi. Matematik açısından, Cramer tarafından önerilen kuantum mekaniği yorumunun herhangi bir sorunu yoktur, çünkü Schrödinger denklemine kadar tüm matematik, Kopenhag yorumundaki ile tamamen aynıdır. Buradaki fark, kelimenin tam anlamıyla, yalnızca yorumdadır.
Cramer, tipik bir kuantum işlemini, bir parçacığın uzay ve zamanda farklı bir noktada bulunan başka bir parçacıkla "el sıkışması" olarak tanımlar. Başka bir elektron tarafından emilen elektromanyetik radyasyon yayan bir elektron fikriyle başlar. Ancak bu tanım, bir etkileşimin sonucu olarak bir durumda başlayıp başka bir durumda sona eren bir kuantum nesnesinin durum vektörü için de işe yarar; örneğin, bir kaynaktan yayılan bir parçacığın durum vektörü için. diğer tarafında ise iki delikli deney düzeneği ve bir detektör tarafından soğurulmuştur.
Günlük dilde böyle bir betimlemenin zorluklarından biri, zamanda her iki yönde de aynı anda giden ve dolayısıyla anlık olarak gerçekleşen etkileşimleri gündelik dünyadaki sıradan saatlerin bakış açısından nasıl yorumlamamız gerektiğidir. Cramer bunu esasen zamanın dışında kalarak ve semantik bir araç kullanarak yapar - bir tür sözde zaman terimleriyle tanımlama. Bu, semantik bir araçtan başka bir şey değildir, ancak kesinlikle çoğu insanın zihinlerinde tutarlı bir resim oluşturmasına yardımcı olur.
Bu şekilde çalışır. Bir kuantum nesnesi (yayıcı) çevreleyen dünya ile etkileşime girdiğinde, bunu geleceğe giden gecikmeli bir dalganın ve geçmişe giden gelişmiş bir dalganın zaman-simetrik karışımı olan bir alan üreterek yapmaya çalışır. Net bir resim elde etmek adına, önde giden dalgayı göz ardı edip yalnızca gerideki dalgayı takip ediyoruz. Etkileşime girebileceği başka bir nesneyle (soğurucu) karşılaşana kadar geleceğe doğru hareket eder. Etkileşim sırasında, ikinci nesne, birinci geciktirilmiş alanı tam olarak telafi eden yeni bir geciktirilmiş alan üretir. Sonuç olarak, soğurucunun geleceğinde geciktirilmiş alan yoktur.
Ancak soğurucu aynı zamanda, orijinal gecikmeli dalganın yolu boyunca yayıcıya zamanda geriye giden negatif bir öncü dalga da üretir. Yayıcıda, bu önde gelen dalga emilir ve ilk nesnede geçmişe ikinci bir önde gelen dalgayı yaydığı bir tepkiye neden olur. Bu "yeni" önde gelen dalga, "orijinal" önde gelen dalgayı tamamen telafi eder, böylece tüm süreç başlamadan önce, geçmişe giden etkili bir radyasyon da olmaz. Sadece yayıcı ve soğurucuyu birbirine bağlayan ve yarısı geleceğe pozitif enerji taşıyan gecikmeli bir dalgadan oluşan bir çift dalga ve geçmişe (negatif zaman boyunca) negatif enerji taşıyan ilerleyen bir dalgadan oluşan bir çift dalga kalır.
Eksi çarpı eksi artı yaptığından, bu önde gelen dalga, yayıcıdan soğurucuya giden bir gecikmeli dalgaymış gibi orijinal gecikmeli dalgaya eklenir. Negatif enerji ve negatif zaman, zamanda ileriye doğru giden pozitif enerjiyi toplar. Kramer'in yazdığı gibi:
Yayıcının soğurucuya doğru hareket eden bir "istek" dalgası ürettiğini varsayabiliriz. Emici daha sonra yayıcıya bir "onay" dalgası döndürür ve işlem, uzay-zaman boyunca bir "el sıkışma" ile sona erer .
Ancak bu, sözde zaman açısından sadece bir olaylar zinciridir. Gerçekte bu zamansız bir süreçtir: olan her şey bir anda olur.
Kramer, bu olaylar zincirinde özel bir halka varsa, zinciri tamamlayan halka olmadığını yazıyor. Bu, istek dalgasına yanıt olarak çeşitli doğrulama dalgaları alan yayıcının, olasılık kurallarına göre rastgele seçilen ve bu doğrulamayı sağlayacak şekilde bunlardan birini güçlendirdiği zincirin başlangıcındaki halkadır. Dalga, tamamlanmış bir işlem biçiminde gerçekte somutlaştırılmıştır. Zamansız bir işlemin sonunda "ne zaman" yoktur.
Bu, iki delikli deneyin ana bilmecesini nasıl çözer? TI'ye göre, gecikmeli "sorgulama" dalgası kurulumdaki her iki delikten yayılır ve kurulumdaki her iki delikten kaynağa geri geçen dedektör ekranından önde gelen "onay" dalgasını başlatır. Her parçacık rastgele olarak cümlelerden hangisini kabul edeceğini seçerek bir girişim deseni oluşturur. Ancak, gecikmiş seçim deneyinin akıllı bir versiyonunda, parçacık yola çıktıktan sonra deliklerden biri kapanırsa, parçacık bunu zaten "bilir", çünkü onay dalgasının geri dönebileceği yalnızca bir deliği kalmıştır. "el sıkışma" için. Kramer'in yazısı şöyle:
Gözlemcinin deneyin hangi versiyonunun yürütüleceğine ne zaman karar vereceği sorusu artık alakalı değil. Gözlemci, deney düzeneğinin konfigürasyonunu ve sınır koşullarını belirlemiş ve işlem buna göre oluşturulmuştur. Ayrıca, kayıt olayının (diğer herhangi bir etkileşimin aksine) bir ölçüm içermesi de artık önemli değildir, bu nedenle gözlemcinin süreçte herhangi bir özel rolü yoktur.
Kuantum fiziğinin gizemlerini çözmede başarı, sağduyuya aykırı gibi görünen tek bir fikri kabul ederek elde edilir - kuantum dalgasının bir kısmının aslında zamanda geriye doğru hareket edebileceği fikri. İlk bakışta bu, bir nedenin her zaman neden olduğu olaylardan önce geldiği sezgimizle taban tabana zıttır. Ancak daha yakından incelendiğinde, her şeyden önce, işlemsel yorumlamada ihtiyaç duyulan zaman yolculuğunun gündelik nedensellik kavramlarını ihlal etmediği ortaya çıkıyor. Zamansız "el sıkışma", zamanda geriye doğru hareket eden gelişmiş bir kuantum dalgasının yardımıyla gerçekleşse de, bu, gündelik dünyadaki nedenselliğin mantıksal yapısını etkilemez.
Görelilik kuramının etkileri açıkça TI'ye dahil edildiğinden, işlemsel yorumlamada zamanla başa çıkma biçiminin sağduyunun önerdiğinden farklı olmasına şaşırmamalıyız. Kopenhag yorumu, aksine, zamanı klasik Newton anahtarında ele alır ve Bell'in eşitsizliğini CI açısından ölçmeye ilişkin kuantum deneylerinin sonuçlarını açıklamaya çalışırken ortaya çıkan çelişkilerin altında yatan şey tam olarak budur. Işık hızı sonsuz olsaydı, sorunlar ortadan kalkardı: o zaman Bell'in eşitsizliğini içeren süreçlerin yerel ve yerel olmayan tanımları arasında hiçbir fark olmazdı ve sıradan Schrödinger denklemi tam olarak ne olduğunu tanımlardı - sonuçta, sıradan Schrödinger denklemi, aslında, ışık hızı sonsuz ise, doğru bir göreli denklemdir.
Zamansız "el sıkışma" özgür irade olasılığını nasıl etkiler? İlk bakışta, her şey geçmiş ve gelecek arasındaki bu bağlantılarla sabitlenmiş gibi görünebilir. Yayılan her foton, ne zaman ve nerede emileceğini "bilir"; iki delikli deneyde yarıklardan ışık hızıyla kayan her bir kuantum olasılık dalgası, diğer tarafta kendisini ne tür bir detektörün beklediğini "bilir". Kendimizi, ne zamanın ne de uzayın hiçbir anlamının olmadığı, olmuş ve olacak olan her şeyin basitçe var olduğu donmuş bir evren imgesiyle karşı karşıya buluyoruz.
Ancak bizim zaman çerçevemizde kararlar, sonuçları hakkında kesin bir bilgi olmaksızın gerçek özgür irade temelinde alınmaktadır. Mikroskobik dünyanın zamansız gerçekliğini oluşturan kararlar (hem insan hem de atomun bozunması ile ilişkili olanlar gibi kuantum "seçimleri") zaman alır (makroskobik dünyada).
Cramer, yorumunun geleneksel kuantum mekaniğinin tahminleri dışında herhangi bir tahminde bulunmadığını vurgulayarak, prensipte insanların kuantum dünyasında neler olup bittiğini net bir şekilde anlamalarına yardımcı olabilecek kavramsal bir model olarak sunuluyor. Sezgiler oluşturmak ve aksi takdirde gizemli olan kuantum fenomenlerini anlamak için özellikle yararlı olması muhtemel bir araçtır. Ancak işlemsel yorumun bu konuda diğer yorumlardan daha zayıf olduğu düşünülmemelidir çünkü bunların hiçbiri kuantum fenomenini anlamamıza yardımcı olacak kavramsal bir modelden öteye gitmez ve hepsi tamamen aynı tahminleri yapar.
Mesele bu. Tüm Teselliler eşit derecede iyidir ve hepsi eşit derecede kötüdür. Bu, en azından hangisinin sizin için en rahat olduğunu seçmekte özgür olduğunuz ve diğerlerini görmezden geldiğiniz anlamına gelir.
Çözüm
Delilik için düzeltme yok
Son doksan yılda, birçok bilim adamı kuantum mekaniğinin anlamını anlamaya çalıştı.
Burada anlattığım altı olası Teselli, şimdiye kadar buldukları en iyi fikirlerdir ve hepsi çok kısaca özetlenebilir.
Birinci. Sen bakmazsan dünya yoktur.
Saniye. Parçacıkların hareketi görünmez bir dalga tarafından kontrol edilir, ancak parçacıklar dalgayı etkilemez.
Üçüncü. En azından prensipte olabilecek her şey, birçok paralel gerçeklikten birinde gerçekleşir.
Dördüncü. Prensipte bile olabilecek her şey zaten oldu ve biz bunun sadece bir kısmını fark ettik.
Beşinci. Sanki uzay yokmuş gibi her şey diğer her şeyi anında etkiler.
Altıncı. Gelecek, geçmişi etkiler.
The Nature of Physical Laws adlı kitabında Richard Feynman şunları yazdı:
Sanırım kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını güvenle söyleyebilirim. … Yapabiliyorsanız, "Ama bu nasıl olabilir?" Sorusuyla kendinize eziyet etmeyin, aksi takdirde henüz kimsenin çıkamadığı bir çıkmaza girersiniz. Bunun nasıl olabileceğini kimse bilmiyor .
Ek okuma için literatür
Akciğer okuma
Philip Ball, Beyond Weird (Bodley Head, Londra, 2018)
Brian Clegg, Kuantum Çağı (Icon Books, Londra, 2014)
John Gribbin, Kuantum Gizemi (Kindle Single)
David Lindley, Gariplik Nereye Gidiyor? (Temel Kitaplar, New York, 1996)
George Musser, Spooky Action at a Distance (Scientific American/Farrar, Strauss & Giroux, New York, 2015)
Heinz Pagels, Kozmik Kod (Michael Joseph, Londra, 1982)
Euan Squires, The Mystery of the Quantum World , ikinci baskı (Institute of Physics, Bristol, 1994)
John Cramer, Kuantum El Sıkışma (Springer, Heidelberg, 2016)
Richard Feynman, The Character of Physical Law , yeni baskı (Penguin, Londra, 1992) / Feynman R._ _ Karakter fiziksel yasalar / Başına . B. _ P. _ Golysheva , E. _ L. _ Napelbaum . - M .: Nauka , 1987.
Ağır topçu
John Bell, Kuantum Mekaniğinde Konuşulabilir ve Konuşulamaz (Cambridge University Press, 1987)
Richard Feynman, Robert Leighton ve Matthew Sands, The Feynman Lectures on Physics , Cilt III (Addison-Wesley, Reading, MA, 1965) / Feynman R. , Leighton R. , Kumlar M. _ Feynman dersler İle fizik _ Cilt 8, 9: Kuantum mekaniği / Per. İngilizceden. 3. baskı – M.: Editörden URSS, 2004.
Leonard Susskind ve Art Friedman, Quantum Mechanics (Allen Lane, Londra, 2014) ( çok zor ama _ iyice )
Eğlence için
https://www.poetryfoundation.org/poems/43909/the-hunting-of-the-snark / Lewis Carroll. Snark Avı / Per. İngilizceden. G. Kruzhkova.
Not: Bazen Büyük Dosyaları tarayıcı açmayabilir...İndirerek okumaya Çalışınız.
Yorumlar