Kvantna mehanika vam omogućava da vidite, osjetite i dodirnete čestice (2. dio)

2 22. 11. 2018
6. međunarodna konferencija egzopolitike, istorije i duhovnosti

Vratimo se onome što je kvantna mehanika i kako je možemo koristiti.

Nevidljivi prizor

Ok, tako da osjećate miris kafe, skoro ste budni. Oči su vam spremne za svakodnevnu rutinu, trepćući i propuštajući malo svjetla. Kad malo bolje razmislite, čestice svjetlosti koje ulaze u vaše lice i oči stvorile su se prije milion godina u središtu sunca, u vrijeme kada su naši preci počeli koristiti vatru. Sunce ne bi ni poslalo čestice zvane fotoni da nisu potrebne za isti fenomen koji bi mogao biti osnova našeg osjeta mirisa, kvantnog tuneliranja.

Oko 150 miliona kilometara razdvaja Sunce i Zemlju, fotonima je potrebno samo osam minuta da pređu tu udaljenost. Međutim, veći dio njihovog putovanja odvija se unutar sunca, gdje tipični foton provodi milion godina pokušavajući pobjeći. Materija je tako pohranjena u sredini naše zvijezde, gdje je vodonik otprilike 13 puta gušći od olova, a fotoni mogu putovati beskrajno mali djelić sekunde prije nego što ih apsorbiraju vodonični ioni, koji zatim ispaljuju foton za putovanje sa Sunca itd. Nakon otprilike milijarde takvih interakcija konačno se pojavljuje foton na površini Sunca koje ovdje sja milionima godina.

Kvantna mehanika (© Jay Smith)

Fotoni nikada ne bi nastali, a Sunce ne bi zasjalo bez kvantnog tuneliranja. Sunce i sve ostale zvijezde stvaraju svjetlost nuklearnom fuzijom, razbijaju vodonikove ione i stvaraju helij u procesu koji oslobađa energiju. Sunce svake sekunde pretvara oko 4 miliona tona materije u energiju. Samo joni vodonika, poput pojedinačnih protona, imaju pozitivne električne naboje i međusobno se odbijaju. Pa kako se mogu stopiti jedni s drugima?
U kvantnom tuneliranju, talasna priroda protona ponekad im omogućava da se lako preklapaju poput valova koji se spajaju na površini jezera. Činjenica da se preklapaju približava protonske valove dovoljno blizu da druga sila, poput jake nuklearne sile koja djeluje samo na vrlo kratkim udaljenostima, može prevladati električnu odbojnost čestica. Tada se protoni raspadaju da bi oslobodili jedan foton.

Naše su oči vrlo osjetljive na fotone

Naše su oči postale vrlo osjetljive na ove fotone. Neki nedavni eksperimenti pokazali su da možemo čak i otkriti pojedinačne fotone, što otvara zanimljivu mogućnost: mogu li ljudi otkriti neke posebne slučajeve kvantne mehanike? Da li to znači da je osoba, poput fotona ili elektrona ili nesretne Schrödingerove mačke, istovremeno mrtva i živa ako je direktno uključena u kvantni svijet? Kako bi moglo izgledati takvo iskustvo?

Ljudsko oko

"Ne znamo jer niko nije pokušao", rekla je Rebecca Holmes, fizičarka iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Novom Meksiku. Prije tri godine, kada je diplomirala na Univerzitetu Illinois u Urbane-Champaign-u, Holmes je bio dio tima koji je vodio Paul Kwiat, koji je pokazao da ljudi mogu otkriti kratke bljeskove svjetlosti koji se sastoje od tri fotona. 2016. godine otkrila je da je konkurentska grupa naučnika, koju je predvodila fizičar Alipaša Vaziri sa Univerziteta Rockefeller u New Yorku, otkrila da ljudi zapravo vide pojedinačne fotone. Međutim, vidimo da iskustvo možda nije precizno opisano. Vaziri je i sama pokušala vidjeti bljeskove fotona, rekla je za magazin Nature, "To nije poput gledanja svjetlosti. To je gotovo osjećaj na pragu fantazije. "

Kvantna mehanika - eksperimenti

U bliskoj budućnosti Holmes i Vaziri očekuju da će eksperimenti testirati šta ljudi opažaju kada se fotoni ubace u posebna kvantna stanja. Na primjer, fizičari mogu povezati jedan foton sa onim što nazivaju superpozicijom, gdje fotoni istovremeno postoje na dva različita mjesta. Holmes i njene kolege osmislili su eksperiment koji uključuje dva scenarija kako bi testirali mogu li ljudi direktno opažati superpoziciju fotona. U prvom scenariju jedan bi foton dospio na lijevu ili desnu stranu ljudske mrežnice, a primijetio bi na kojoj strani mrežnice osjeća foton. U drugom scenariju, foton bi bio smješten u kvantnu superpoziciju koja bi mu omogućila da čini naizgled nemoguće - da istovremeno leti na desnu i lijevu stranu mrežnice.

Da li bi netko mogao otkriti svjetlost s obje strane mrežnjače? Ili bi interakcija fotona u oku dovela do toga da se superpozicija 'uruši'? Ako jeste, da li bi se to događalo i na desnoj i na lijevoj strani, kao što teorija sugerira?

Rebecca Holmes kaže:

"Na osnovu standardne kvantne mehanike, foton u superpoziciji vjerovatno ne bi izgledao drugačije od stvarno nasumično prenesenog fotona lijevo ili desno."

Ako se ispostavi da su neki učesnici eksperimenta u stvari istovremeno opazili foton na oba mjesta, znači li to da je i sama osoba bila u kvantnom stanju?

Rebecca Holmes dodaje:

"Moglo bi se reći da je promatrač u zanemarivo kratkom vremenu bio sam u kvantnoj superpoziciji, ali još niko to nije pokušao, pa stvarno ne znamo. Zbog toga radite takav eksperiment. "

Percipiraš na svoj način

Vratimo se sada šalici kafe. Šalicu osjećate kao čvrst komad materijala, čvrsto u dodiru s kožom ruke. Ali to je samo iluzija. Nikada ništa ne dodirujemo, barem ne u smislu dva čvrsta komada materije koja se dodiruju. Više od 99,9999999999 posto atoma sastoji se od praznog prostora, sa gotovo svim materijama koncentriranim u jezgri.

Kvantna mehanika (© Jay Smith)

Kad šalicu držite rukama, čini se da je njegova snaga dolazi iz otpora elektrona u čaši i u ruci. Sami elektroni nemaju zapreminu, samo su prividne nulte dimenzije polja negativnog električnog naboja koje okružuju atome i molekule poput oblaka. Zakoni kvantne mehanike ograničavaju ih na određene nivoe energije oko atoma i molekula. Dok ruka hvata šalicu, ona potiskuje elektrone s jednog nivoa na drugi, a to zahtijeva energiju mišića, što mozak tumači kao otpor kad dodirnemo nešto čvrsto.

Naš osjet dodira proizlazi iz izuzetno složene interakcije između elektrona oko molekula našeg tijela i molekula predmeta koje dodirujemo. Iz ovih informacija naš mozak stvara iluziju da imamo čvrsto tijelo koje se kreće svijetom punim drugih čvrstih predmeta. Kontakt s njima ne daje nam tačan osjećaj stvarnosti. Moguće je da nijedno naše opažanje ne odgovara onome što se stvarno događa. Donald Hoffman, kognitivni neurolog sa Kalifornijskog univerziteta u Irvineu, vjeruje da su naša osjetila i mozak evoluirali da zaklone pravu prirodu stvarnosti, a ne da je otkriju.

"Moja ideja je da je činjenica, kakva god bila, prekomplicirana i trebat će nam previše vremena i energije za obradu."

Poređenje slike svijeta u mozgu sa grafičkim interfejsom u računaru

Hoffman upoređuje sliku gradnje svijeta u našem mozgu s grafičkim sučeljem na ekranu računara. Sve šarene ikone na ekranu, poput kante za smeće, pokazivača miša i mapa datoteka, nemaju nikakve veze sa onim što se stvarno događa u računaru. Upravo apstrakcije, pojednostavljenja omogućavaju nam komunikaciju sa složenom elektronikom.

Po Hoffmanovom gledištu, evolucija je promijenila naš mozak tako da radi poput grafičkog sučelja koje svijet ne reproducira vjerno. Evolucija ne podržava razvoj tačne percepcije, ona koristi samo ono što omogućava preživljavanje.

Kao što Hoffman kaže:

"Oblikujte pravila nad stvarnošću."

Hoffman i njegovi studenti postdiplomskih studija testirali su stotine hiljada računarskih modela posljednjih godina kako bi testirali svoje ideje u simulacijama umjetnih oblika života koji se natječu za ograničene resurse. U svakom slučaju, organizmi su programirani da daju prednost fizičkoj spremnosti kada se činjenice ne podudaraju sa onim stvorenim za tačnu percepciju.

Na primjer, ako je jedan organizam dizajniran da točno opaža, na primjer, ukupnu količinu vode koja je prisutna u okolini, i naiđe na organizam koji je podešen da opazi nešto jednostavnije, npr. Optimalnu količinu vode koja je potrebna da ostane živ. Dakle, iako bi jedan organizam mogao stvoriti tačniji oblik stvarnosti, ovo svojstvo ne povećava njegovu sposobnost preživljavanja. Hoffmanove studije dovele su ga do izvanrednog zaključka:

"U mjeri u kojoj smo prilagođeni održavanju života, nećemo biti prilagođeni stvarnosti. Ne možemo to učiniti. "

Kvantna teorija

Njegove misli se podudaraju s onim što neki fizičari smatraju središnjom idejom kvantne teorije - percepcija stvarnosti nije u potpunosti objektivna, ne možemo se odvojiti od svijeta koji promatramo.

Hoffman u potpunosti zauzima ovaj pogled:

"Prostor je samo struktura podataka, a fizički objekti su sami po sebi strukture podataka koje stvaramo u letu. Kada pogledam brdo, kreiram ovu strukturu podataka. Tada skrenem pogled i razbijem ovu strukturu podataka jer mi više nije potrebna. "

Kao što pokazuje Hoffmanov rad, još nismo uzeli u obzir puno značenje kvantne teorije i onoga što ona govori o prirodi stvarnosti. Većinu svog života Planck je sam nastojao razumjeti teoriju koju je pomogao stvoriti i uvijek je vjerovao u objektivnu percepciju svemira koji je postojao neovisno od nas.

Jednom je napisao o tome zašto se odlučio baviti fizikom, suprotno savjetima svog učitelja:

"Vanjski svijet je nešto neovisno o čovjeku, to je nešto apsolutno i potraga za zakonima koji se na to odnose apsolutno mi se činilo najplemenitijim naučnim iskustvom u životu."

Možda će trebati još jedno stoljeće da bi još jedna revolucija u fizici dokazala je li u pravu ili nije, poput njegovog profesora Philipa von Jollyja.

Kvantna mehanika

Ostali dijelovi iz serije