Niemand op deze wereld begrijpt wat kwantummechanica is. Dit is misschien wel het belangrijkste dat u over haar moet weten. Natuurlijk hebben veel natuurkundigen geleerd wetten te gebruiken en zelfs verschijnselen te voorspellen op basis van kwantumberekeningen. Maar het is nog steeds onduidelijk waarom de waarnemer van het experiment het gedrag van het systeem bepaalt en ervoor zorgt dat het een van de twee toestanden aanneemt.
Hier zijn enkele voorbeelden van experimenten met resultaten die onvermijdelijk zullen veranderen onder invloed van de waarnemer. Ze laten zien dat de kwantummechanica praktisch te maken heeft met de tussenkomst van bewust denken in de materiële werkelijkheid.
Er zijn tegenwoordig veel interpretaties van de kwantummechanica, maar de Kopenhagen-interpretatie is misschien wel de meest bekende. In de jaren twintig werden de algemene postulaten geformuleerd door Niels Bohr en Werner Heisenberg.
De Kopenhagen-interpretatie is gebaseerd op de golffunctie. Het is een wiskundige functie die informatie bevat over alle mogelijke toestanden van een kwantumsysteem waarin het tegelijkertijd bestaat. Volgens de Kopenhagen-interpretatie kunnen de toestand van een systeem en zijn positie ten opzichte van andere toestanden alleen worden bepaald door observatie (de golffunctie wordt alleen gebruikt om wiskundig de kans te berekenen dat een systeem in een of andere toestand wordt gevonden).
We kunnen zeggen dat het kwantumsysteem na waarneming klassiek wordt en onmiddellijk ophoudt te bestaan in andere toestanden dan die waarin het werd waargenomen. Deze conclusie vond zijn tegenstanders (denk aan de beroemde Einsteins "God speelt geen dobbelstenen"), maar de nauwkeurigheid van berekeningen en voorspellingen had nog steeds hun eigen.
Niettemin neemt het aantal aanhangers van de Kopenhagen-interpretatie af, en de belangrijkste reden hiervoor is de mysterieuze onmiddellijke ineenstorting van de golffunctie tijdens het experiment. Het beroemde gedachte-experiment van Erwin Schrödinger met een arme kat zou de absurditeit van dit fenomeen moeten aantonen. Laten we de details onthouden.
In de zwarte doos zit een zwarte kat en daarmee een fles
Het is duidelijk dat voor een externe waarnemer de kat in de doos zich in twee toestanden bevindt: hij leeft als alles goed is gegaan of is dood als het verval is opgetreden en de fles is gebroken. Beide toestanden worden beschreven door de golffunctie van de kat, die in de loop van de tijd verandert.
Promotie video:
Hoe meer tijd er is verstreken, hoe waarschijnlijker het is dat er radioactief verval heeft plaatsgevonden. Maar zodra we de doos openen, stort de golffunctie in en zien we meteen de resultaten van dit onmenselijke experiment.
In feite, totdat de waarnemer de doos opent, zal de kat eindeloos balanceren tussen leven en dood, of zal hij tegelijkertijd leven en dood zijn. Zijn lot kan alleen worden bepaald door de acties van een waarnemer. Op deze absurditeit werd door Schrödinger gewezen.
1. Diffractie van elektronen
Volgens een onderzoek van beroemde natuurkundigen door The New York Times, is het elektronendiffractie-experiment een van de meest verbazingwekkende studies in de geschiedenis van de wetenschap. Wat is zijn aard? Er is een bron die een elektronenbundel uitzendt op een lichtgevoelig scherm. En er zit een obstakel in de weg van deze elektronen, een koperen plaat met twee spleten.
Wat voor plaatje kun je op een scherm verwachten als elektronen meestal als geladen bolletjes aan ons worden gepresenteerd? Twee strepen tegenover de sleuven in de koperen plaat. Maar in werkelijkheid verschijnt een veel complexer patroon van afwisselende witte en zwarte strepen op het scherm. Dit komt door het feit dat elektronen zich bij het passeren door de spleet niet alleen als deeltjes beginnen te gedragen, maar ook als golven (fotonen of andere lichtdeeltjes gedragen zich op dezelfde manier, wat tegelijkertijd een golf kan zijn).
Deze golven werken samen in de ruimte, botsen en versterken elkaar, en als resultaat wordt een complex patroon van afwisselende lichte en donkere strepen op het scherm weergegeven. Tegelijkertijd verandert het resultaat van dit experiment niet, zelfs niet als elektronen één voor één passeren - zelfs één deeltje kan een golf zijn en tegelijkertijd door twee spleten gaan. Dit postulaat was een van de belangrijkste in de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, wanneer deeltjes tegelijkertijd hun "gewone" fysische eigenschappen en exotische eigenschappen als een golf kunnen demonstreren.
Maar hoe zit het met de waarnemer? Hij is het die dit verwarde verhaal nog verwarrender maakt. Toen natuurkundigen tijdens dergelijke experimenten met behulp van instrumenten probeerden te bepalen door welke spleet het elektron daadwerkelijk passeert, veranderde het beeld op het scherm dramatisch en werd het "klassiek": met twee verlichte secties strikt tegenover de spleten, zonder enige afwisselende strepen.
De elektronen leken terughoudend om hun golfkarakter te onthullen aan het waakzame oog van waarnemers. Het ziet eruit als een mysterie gehuld in duisternis. Maar er is ook een eenvoudiger verklaring: het monitoren van het systeem kan niet plaatsvinden zonder het fysiek te beïnvloeden. We zullen dit later bespreken.
2. Verwarmde fullerenen
Experimenten met deeltjesdiffractie werden niet alleen met elektronen uitgevoerd, maar ook met andere, veel grotere objecten. Ze gebruikten bijvoorbeeld fullerenen, grote en gesloten moleculen die uit enkele tientallen koolstofatomen bestaan. Onlangs probeerde een groep wetenschappers van de Universiteit van Wenen, onder leiding van professor Zeilinger, een observatie-element in deze experimenten op te nemen. Om dit te doen, bestraalden ze de bewegende fullereenmoleculen met laserstralen. Vervolgens, verwarmd door een externe bron, begonnen de moleculen te gloeien en vertoonden ze onvermijdelijk hun aanwezigheid voor de waarnemer.
Naast deze innovatie is ook het gedrag van moleculen veranderd. Voorafgaand aan de start van zo'n uitgebreide waarneming waren fullerenen behoorlijk succesvol in het vermijden van obstakels (vertoonden golfeigenschappen), vergelijkbaar met het vorige voorbeeld met elektronen die een scherm raakten. Maar met de aanwezigheid van een waarnemer begonnen fullerenen zich te gedragen als volledig gezagsgetrouwe fysieke deeltjes.
3. Koeling dimensie
Een van de beroemdste wetten in de wereld van de kwantumfysica is het Heisenberg-onzekerheidsprincipe, volgens welke het onmogelijk is om de snelheid en positie van een kwantumobject tegelijkertijd te bepalen. Hoe nauwkeuriger we het momentum van een deeltje meten, hoe minder nauwkeurig we zijn positie kunnen meten. In onze macroscopische echte wereld blijft de geldigheid van kwantumwetten die op kleine deeltjes inwerken, meestal onopgemerkt.
De recente experimenten van professor Schwab uit de VS leveren een zeer waardevolle bijdrage op dit gebied. Kwantumeffecten in deze experimenten werden niet aangetoond op het niveau van elektronen of fullereenmoleculen (met een diameter van ongeveer 1 nm), maar op grotere objecten, een klein aluminium lintje. Deze tape was aan beide zijden bevestigd zodat het midden in een hangende toestand was en onder invloed van buitenaf kon trillen. Bovendien werd er een apparaat in de buurt geplaatst dat de positie van de tape nauwkeurig kon registreren. Het experiment bracht verschillende interessante dingen aan het licht. Ten eerste beïnvloedde elke meting die verband hield met de positie van het object en de observatie van de tape, na elke meting veranderde de positie van de tape.
De onderzoekers bepaalden de coördinaten van de tape met hoge precisie, en veranderden zo, in overeenstemming met het Heisenberg-principe, de snelheid en daarmee de daaropvolgende positie. Ten tweede leidden sommige metingen, geheel onverwacht, tot afkoeling van de tape. Zo kan de waarnemer de fysieke kenmerken van objecten alleen door zijn aanwezigheid veranderen.
4. Bevriezing van deeltjes
Zoals u weet, vervallen onstabiele radioactieve deeltjes niet alleen in experimenten met katten, maar ook vanzelf. Elk deeltje heeft een gemiddelde levensduur, die, zoals blijkt, onder toeziend oog van een waarnemer kan toenemen. Dit kwantumeffect werd al in de jaren zestig voorspeld en het briljante experimentele bewijs ervan verscheen in een artikel dat werd gepubliceerd door een groep onder leiding van Nobelprijswinnend natuurkundige Wolfgang Ketterle van MIT.
In dit werk werd het verval van onstabiele aangeslagen rubidiumatomen bestudeerd. Direct na de voorbereiding van het systeem werden de atomen geëxciteerd met een laserstraal. De waarneming vond plaats in twee modi: continu (het systeem werd constant blootgesteld aan kleine lichtpulsen) en pulserend (het systeem werd van tijd tot tijd bestraald met krachtigere pulsen).
De verkregen resultaten waren volledig in overeenstemming met theoretische voorspellingen. Externe lichteffecten vertragen het verval van deeltjes en brengen ze terug naar hun oorspronkelijke staat, die ver verwijderd is van de staat van verval. De omvang van dit effect was ook in overeenstemming met de prognoses. De maximale levensduur van onstabiele aangeslagen rubidiumatomen nam 30 keer toe.
5. Kwantummechanica en bewustzijn
Elektronen en fullerenen vertonen hun golfeigenschappen niet meer, aluminiumplaten koelen af en onstabiele deeltjes vertragen hun verval. Het waakzame oog van de toeschouwer verandert letterlijk de wereld. Waarom kan dit geen bewijs zijn van de betrokkenheid van onze geest bij de werking van de wereld? Misschien hadden Carl Jung en Wolfgang Pauli (Oostenrijkse natuurkundige, Nobelprijswinnaar, pionier op het gebied van de kwantummechanica) toch gelijk toen ze zeiden dat de wetten van fysica en bewustzijn als complementair aan elkaar moeten worden gezien?
We zijn nog maar een stap verwijderd van het besef dat de wereld om ons heen slechts een illusoir product van onze geest is. Het idee is eng en verleidelijk. Laten we opnieuw proberen om tot natuurkundigen te wenden. Vooral in de afgelopen jaren, toen steeds minder mensen de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica geloven, met zijn cryptische golffunctie die instort, verwijzend naar meer alledaagse en betrouwbare decoherentie.
Het punt is dat in al deze experimenten met observaties, experimenteerders onvermijdelijk het systeem beïnvloedden. Ze verlichtten het met een laser en installeerden meetapparatuur. Ze waren verenigd door een belangrijk principe: je kunt een systeem niet observeren of zijn eigenschappen meten zonder ermee te interageren. Elke interactie is een proces van het wijzigen van eigenschappen. Vooral wanneer een klein kwantumsysteem wordt blootgesteld aan kolossale kwantumobjecten. Een eeuwig neutrale boeddhistische waarnemer is in principe onmogelijk. En hier komt de term "decoherentie" in het spel, die onomkeerbaar is vanuit thermodynamisch oogpunt: de kwantumeigenschappen van een systeem veranderen bij interactie met een ander groot systeem.
Tijdens deze interactie verliest het kwantumsysteem zijn oorspronkelijke eigenschappen en wordt het klassiek, alsof het een groot systeem "gehoorzaamt". Dit verklaart ook de paradox van de kat van Schrödinger: de kat is een te groot systeem, dus hij kan niet worden geïsoleerd van de rest van de wereld. De opzet van dit gedachte-experiment is niet helemaal correct.
In ieder geval, als we de realiteit van de scheppingsdaad door bewustzijn aannemen, lijkt decoherentie een veel gemakkelijkere benadering. Misschien zelfs te handig. Met deze benadering wordt de hele klassieke wereld een groot gevolg van decoherentie. En zoals de auteur van een van de beroemdste boeken op dit gebied zei, leidt deze benadering logischerwijs tot uitspraken als "er zijn geen deeltjes in de wereld" of "er is geen tijd op een fundamenteel niveau".
Is het waar in een schepper-waarnemer of in krachtige decoherentie? We moeten kiezen tussen twee kwaden. Toch zijn wetenschappers er steeds meer van overtuigd dat kwantumeffecten een manifestatie zijn van onze mentale processen. En waar de observatie eindigt en de realiteit begint, hangt van ieder van ons af.
Gebaseerd op materialen van topinfopost.com
