Carlo Rovelli apie tai, ką klaidingai suprantame apie kvantinės teorijos kilmę ()
Pasakojimuose kvantinės teorijos gimimą dažnai neatsižvelgiama į vieno iš jos šviesuolių svarbiausią vaidmenį, o tai lėmė nuolatinį nesupratimą, ką ji iš tikrųjų reiškia, teigia fizikas 𝐶𝑎𝑟𝑙𝑜 𝑅𝑜𝑣𝑒𝑙𝑙𝑖
© newscientist.com | Alamy; SPL
|
Visi šio ciklo įrašai |
|
|
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Pradėsiu nuo pradžių. Dažnai sakoma, kad kvantinė fizika buvo netikėtumas tuo metu, kai fizikai manė išsiaiškinę visus pagrindinius gamtos dėsnius. Tokio laiko niekada nebuvo. XIX a. pabaigoje fizikai buvo susipainioję daugelyje bazinių dalykų.
Štai kodėl niekas neatkreipė dėmesio, kai 1900 m. spalį Maxas Plankas, bandydamas suprasti tam tikrus neaiškius eksperimentinius elektromagnetinio spinduliavimo karštose ertmėse matavimus, pateikė paprastą, bet nepagrįstą lygtį. Lygtis buvo tokia: \(E=hν\). Ji sieja spinduliuotės energiją \((E)\) ir dažnį \((ν)\) per visiškai naują konstantą \((h)\), kuri dabar vadinama Planko konstanta. Dabar žinome, kad ši konstanta nustato kvantinių reiškinių mastą.
Po penkerių metų Albertas Einšteinas suprato, ką ši lygtis gali reikšti: šviesa susideda iš dalelių, šviesos kvantų, kurių kiekviena turi energiją \(E=hν\). Tai neatitiko to, kas tuo metu buvo laikomo empiriškai nustatytu fakto, kad šviesa yra banga. Šiandien į jauną doktorantūros studijas baigusį mokslininką, kuris iškeltų tokį pasiūlymą, kaip Einšteino, taip prieštaraujantį nusistovėjusiai nuomonei, niekas rimtai nežiūrėtų.
Tiesą sakant, nežiūrėjo ir į Einšteiną. Jis beveik iš karto išgarsėjo reliatyvumo teorija, tačiau jo „šviesos kvantai“ buvo laikomi keistenybėmis. Berlyno ministerijai adresuotame rekomendaciniame laiške, kuriame buvo raginama skirti jam naują darbo vietą, teigiama, kad jaunasis Einšteinas yra genijus ir jam reikėtų atleisti už kvailas idėjas apie šviesos kvantus. Tačiau jo kvantai numatė fizikinį efektą, kuris, kaip paaiškėjo, buvo realus ir pelnė jam Nobelio premiją.
|
Einšteino straipsnis šia tema pradedamas žodžiais: „Man atrodo, kad [daugelį] stebėjimų… lengviau suprasti, jei laikysime, kad šviesos energija erdvėje pasiskirsčiusi netolygiai“. Atkreipkite dėmesį į nuostabų pradinį žodį „man atrodo“. Paprasti žmonės būna įsitikinę. Genijai abejoja.
Šviesos kvantai
Kiti žingsniai kvantinėje teorijoje žengti Nielso Boro darbuose. Boras nagrinėjo atomų, kurie skleidžia tam tikro dažnio šviesą, kurią galima kruopščiai išmatuoti laboratorijoje, sandarą. Boras suprato, kad šiuos specifinius dažnius būtų galima suprasti, jei elektronai aplink atomo branduolį skrietų tik specialiomis, „kvantuotomis“ orbitomis. Kaip ir Einšteino šviesos kvantai, šios orbitos gali turėti tik specialią, kiekybiškai išreikštą energiją. Tada elektronai (paslaptingai) „šokinėtų“ iš vienos orbitos į kitą, skleisdami šviesos kvantus. Tai garsieji „kvantiniai šuoliai“.
Daugumai fizikų tai skambėjo kaip juodoji magija. Tačiau tai pasiteisino: remdamasis šiomis drąsiomis prielaidomis Boras galėjo teisingai nuspėti skleidžiamos šviesos dažnius. Atrodė, kad atomai atskleidė tam tikrą paslaptį.
Bohras sulaukė pripažinimo. Kopenhagoje jis įkūrė institutą, kuriame ėmė burtis geriausi jaunosios kartos protai, mėginantys iki galo atskleisti atomo fiziką. Tarp šių lankytojų ir Werneris Heisenbergas. 1925 m. vasarą, įkvėptas Bohro idėjų ir gelbėdamasis nuo stipraus šienligės priepuolio, 23-ejų metų Heisenbergas kelias dienas praleido vienatvėje vėjo nugairintoje Helgolando saloje Šiaurės jūroje.
Po įtemptų ir karštligiškų dienų, kai intensyviai skaičiavo, maišydamas painias idėjas, Heisenbergas atliko akrobatinį skaičiavimą, kuris pakeitė mokslo kryptį. Elektrono padėtį jis traktavo ne kaip vieną kintamąjį, o kaip skaičių lentelę, kurios eilutės ir stulpeliai rodė pradinę ir galutinę kvantinio „šuolio“ orbitą.
Po daugelio metų, galbūt romantizuodamas, jis save saloje apibūdino šiais žodžiais: „Buvo maždaug trečia valanda ryto, kai prieš mane iškilo mano skaičiavimų rezultatai. Jaučiausi giliai sukrėstas. Buvau toks susijaudinęs, kad negalėjau užmigti. Išėjau iš namų ir pradėjau lėtai vaikščioti tamsoje. Užlipau ant uolos, nuo kurios atsiveria vaizdas į jūrą salos gale, ir laukiau, kol patekės saulė…“
Kvantinės mechanikos esmė
Grįžęs į savo gimtąjį universitetą Göttingene, Vokietijoje, jis pateikė skaičiavimus savo viršininkui Maxui Bornui. Heisenbergo netvarkinguose skaičiavimuose Bornas įžvelgė naujosios fizikos raktą: fizikiniai dydžiai neaprašomi paprastais kintamaisiais. Juos reikia aprašyti sudėtingesniais matematiniais dydžiais, kurie „nekomutuoja“. Tai reiškia, kad dviejų dydžių daugyba duoda skirtingus rezultatus, priklausomai nuo to, kuris iš jų yra pirmas.
Bornas žinojo, kad elektrono pozicija \(X\) ir momentas \(P\) tenkina fundamentalią lygtį \(XP – PX=ih/2π\). Šioje lygtyje \(h\) Plancko prieš 25 metus pristatyta konstanta – o \(i\) yra menamasis skaičius, kvadratinė šaknis iš minus vieneto \((\sqrt{−1})\).
Ši neaiški orakuliška lygtis yra kvantinės teorijos pagrindas. Ji reiškia, kad jei pirmiausia išmatuosime dalelės padėtį, o paskui jos greitį, galime gauti rezultatą, kuris skiriasi nuo greičio ir padėties matavimo priešinga tvarka. Todėl padėtis ir greitis nėra elektrono savybės, kurios tiksliai nustatomos vienu metu.
Bornas nusiuntė Heisenbergo straipsnį į mokslinį žurnalą Heisenbergo vardu. Tada, padedamas Pascualio Jordano, genialaus matematikos srityje asistento, kuriam taip pat buvo dvidešimt metų, jis paskelbė pagrindinį kvantinės teorijos straipsnį su naująja lygtimi, visus nuopelnus pernelyg dosniai priskirdamas Heisenbergui. 1925 m. teorijos laukė daugybė tolesnių paaiškinimų ir įspūdingai daug taikymų. Tačiau Borno, Jordano ir Heisenbergo straipsniuose kvantinė teorija jau buvo sukurta.
Mano nuomone, Maxo Borno nuopelnai už kvantinės teorijos atradimą yra didesni nei bet kurio kito mokslininko, dalyvavusio šiame grandioziniame intelektualiniame nuotykyje. Jis įvedė sąvoką „kvantinė mechanika“. Jis sukūrė pagrindinę lygtį \(XP–PX=ih/2π\). Jis yra neapdainuotas kvantinės teorijos didvyris.
Po kelių mėnesių, Wolfgangas Ernstas Paulis parodė, kad pagal naująją teoriją iš pirmųjų principų galima apskaičiuoti ne tik atomų skleidžiamos šviesos dažnius, bet ir intensyvumą. Laiške savo senam draugui Micheliui Besso, Einsteinas rašė: „Įdomiausia pastarojo meto teorija yra Heisenbergo-Borno-Jordano teorija apie kvantines būsenas: tai tikras raganiškas skaičiavimas.“
Savo ruožtu senasis meistras Boras po daugelio metų prisiminė: „Tuo metu turėjome tik miglotą viltį, kad mums pavyks performuluoti teoriją, kurioje palaipsniui bus atsisakyta visų netinkamų klasikinių idėjų. Bijodami tokios programos sudėtingumo, visi labai žavėjomės Heisenbergu, kai jis, būdamas vos dvidešimt trejų metų, vienu ypu ją įgyvendino.“ Na, Heisenbergui… su nedidele draugų pagalba. Bet, deja, tai dar ne istorijos pabaiga.
Erwino Schrödingerio banginė funkcija
Pirmiausia kitas į trečią gyvenimo dešimtmetį įžengęs vaikinas,Paulis Diracas, taip pat suprato, kad Heisenbergo lentelės yra nekomutuojantys kintamieji. Jis sukūrė abstrakčią teoriją, kuri pasirodė esanti tokia pati kaip ir Göttingeno burtininkų.
Tada prasidėjo bėda. Schrödingeris, remdamasis visiškai skirtingomis idėjomis, pasiekė tuos pačius rezultatus kaip ir Pauli. Jo rezultatai taip pat buvo gauti ne universiteto katedroje: pasakojama, kad jis su slapta meiluže buvo išvykęs į rekolekcijas Šveicarijos kalnuose.
Schrödingeris išplėtojo jauno fiziko Louis de Broglie daktaro disertacijoje pateiktą idėją. Disertacijoje, kurią jam nurodė Einšteinas, buvo nagrinėjama neaiški galimybė, kad elektronai, kurie tuo metu buvo laikomi dalelėmis, taip pat gali būti bangos, kaip ir Einšteino šviesos kvantai. Schrödingeris svarstė, kokią lygtį tenkintų šios bangos, ir atspėjo. Tada, pasinaudojęs ja laisvomis akimirkomis tarp romantiškų pertraukų, jis gavo tuos pačius rezultatus, susijusius su atomu, kuriuos Pauli buvo gavęs su Göttingeno grupės teorija.
Idėja, kad elektronas yra tik banga, buvo tokia paprasta, kad išmušė iš pusiausvyros Göttingeno grupę ir jos ezoterinius samprotavimus apie nekomutuojančius dydžius. Atrodė, kad Heisenbergas, Bornas, Jordanas ir Dirakas sukūrė neaiškią teoriją tik todėl, kad nuėjo ilgu ir vingiuotu keliu. Viską buvo galima padaryti daug paprasčiau: elektronas yra banga. Bangas lengva įsivaizduoti. Atrodė, kad Schrödingeris triumfavo.
Tačiau jo pergalė truko neilgai. Heisenbergas netrukus suprato, kad Schrödingerio bangų aiškumas buvo miražas. Banga plinta, o elektronas – ne: kai elektronas kur nors atkeliauja, jis atvyksta į vieną tašką. Diskusija tapo gyva, o paskui ir arši. Heisenbergas nukirto: „kuo daugiau galvoju apie fizikinius Schrödingerio teorijos aspektus, tuo labiau ji man atrodo atgrasi. Kai jis [Schrödingeris] rašo apie tai, kad jo teorijos vizualizacija tikriausiai nėra visiškai teisinga, tai tolygu sakyti, kad ji idiotiška“. Schrödingeris bandė šmaikščiai atkirsti: „Aš negaliu įsivaizduoti elektrono, šokinėjančio šen bei ten kaip blusa“.
Maxo Borno Nobelio premija
Heisenbergas buvo teisus. Bangų mechanika nėra aiškesnė už nekomutacinį Göttingeno abaką. Po daugelio metų Schrödingeris, tapęs vienu iš aštriausių kvantų keistumo mąstytojų, pripažino pralaimėjimą. „Buvo akimirka, – rašo jis, – kai bangų mechanikos kūrėjai [t. y. jis pats] puoselėjo iliuziją, kad pašalino kvantinės teorijos netolygumus. Tačiau iš teorijos lygčių pašalinti netolygumai vėl atsiranda tą akimirką, kai teorija susiduria su tuo, ką mes stebime.“
Nobelio premija Bornui buvo paskirta daug vėliau, 1954 m., ir tik už „statistinę banginės funkcijos interpretaciją“. Kodėl taip vėlai? Kodėl jis nebuvo pripažintas už savo monumentalų 1925 m. indėlį? Jis jau buvo sukūręs kvantinę mechaniką, jos pagrindinę formulę \(XP–PX=ih/2π\), ir šią statistinę interpretaciją jis atskleidė anksčiau nei Schrödingerio banginę funkciją. Galbūt tam įtakos turėjo ir Pascualio Jordano simpatijos naciams: jis buvo dviejų straipsnių, kuriuose apibrėžiama kvantinė mechanika, bendraautoris, o po Antrojo pasaulinio karo jam galėjo būti sunku skirti Nobelio premiją.
2023 m. straipsnyje, kurį parašiau kartu su mokslo istoriku Johnu Heilbronu, analizavome istorinę raidą, lėmusią kvantinės teorijos atsiradimą, ir pastebėjome, kad mokslo istorijoje, kaip ir visuomet istorijoje, praeities vertinimas kinta keičiantis dabarties idėjoms.
Vis dar diskutuojama, ką kvantiniai reiškiniai pasako apie tikrovę (žr. „Ką kvantinė teorija iš tikrųjų pasako apie tikrovės prigimtį?“). Yra įvairių interpretacijų. Manau, kad Schrödingerio bangos tėra matematinis informacijos, kurią fizikinė sistema turi apie kitą sistemą, atvaizdavimas. Toks kvantinių reiškinių aiškinimas vadinamas „reliaciniu“, nes pabrėžia, kad galime aprašyti tik tai, kaip sistemos veikia viena kitą, o ne tai, kokios jos yra atskirai. Kitose interpretacijose, tokiose kaip „QBizmas “, kvantinės būsenos tik koduoja mūsų pačių žinias apie sistemą.
Atsižvelgiant į šias idėjas, man akivaizdu, kad Schrödingerio bangos veikiau užgožė, o ne paaiškino Göttingeno burtininkų ir Diraco sukurtą teoriją. Jis suklaidino bendruomenę ir privertė ją į kvantinę teoriją žiūrėti kaip į paslaptingų bangų (arba paslaptingų „kvantinių būsenų“) apreiškimą, užuot skaitę ją tiesmukai, kaip tai darė Göttingeno mokslininkai: tai buvo sistemos pasireiškimo bet kuriai kitai sistemai tikimybių teorija.
Manau, kad kvantiniai reiškiniai mums sako, jog pasaulis yra tikrai tikimybinis ir granuliuotas Planko konstantos nustatytu masteliu ir kad tikrovę sudaro fizikinių sistemų pasireiškimai viena kitai. Tai atspindi Nilso Boro žodžiai: „Kvantinėje fizikoje sąveika su matavimo aparatu yra neatsiejama reiškinio dalis. Vienareikšmiškame kvantinio reiškinio aprašyme iš principo būtina aprašyti visus svarbius eksperimentinės sąrangos aspektus“.
Ir po šimtmečio šios idėjos nereikia smarkiai keisti: tereikia „matavimo aparatą“ pakeisti „bet kuria kita fizikine sistema“, su kuria sąveikauja objektas. Pasaulis – tai visuma būdų, kuriais fizinės sistemos veikia viena kitą. Kvantinė fizika man ir atrodo tuo esanti. Tai kvantinė mechanika, kaip ją suprato jai pavadinimą suteikęs Maxas Bornas.
Kas yra kvantinė teorija?
Pagrindinis kvantinės teorijos principas nėra labai sudėtingas. Kad jį suprastumėte, įsivaizduokite, kaip galite pasukti senovinio stereogarsiakalbio garsumo rankenėlę ir išgirsti, kaip garsas palaipsniui stiprėja. Kvantinė teorija teigia, kad dalelių savybės, pavyzdžiui, jų energija, taip nekinta. Vietoj to jos gali įgyti tik tam tikras diskretines vertes. Galvokite apie termostato šildymo stiprinimą, kai temperatūra pereina nuo vieno laipsnio prie kito be jokio perėjimo. Ši prielaida apie dalelių veikimą pasirodo, yra kur kas būdas paaiškinti tikrovę (žr. pagrindines istorijas).
Problemos kyla dėl praktinio teorijos veikimo. Ji numato tikimybę, ką rasite, kai išmatuosite dalelę, bet nieko nesako apie tai, ką ji veikė prieš tai. Kaip tai interpretuoti, mus klaidino nuo pat pradžių. Be to, per daugelį metų taip pat pastebėjome, kad kvantinės dalelės elgiasi labai keistai. Pavyzdžiui, kartais atrodo, kad jos elgiasi labiau kaip bangos. Jų poros gali būti susipynusios, t. y. jos gali daryti įtaką viena kitos savybėms, net jei jas skiria dideli atstumai. Jos taip pat gali būti superpozicijoje, t. y. būti dviejose vietose arba vienu metu eiti dviem keliais.
