Tragom zvezda

Čudesa kvantne fizike II deo

Šredingerova mačka

Šredingerova mačka je misaoni eksperiment nastao u umu Ervina Šredingera, jednog od pionira kvantne mehanike kao nauke. On je eksperimentom želeo da pokaže koliko je kvantna mehanika zapravo kontraintuitivna i neprihvatljiva. Da bi se objasnio ovaj eksperiment, treba razmotriti tzv. Hajzenbergovo načelo neodređenosti koje je jedno od fundamentalnih aspekata kvantne mehanike. Naime, po načelu neodređenosti, nemoguće je u isto vreme znati poziciju i brzinu čestice. Što preciznije odredimo jedan od ovih parametara mi smo u nemogućnosti da precizno odredimo drugi.

Talas verovatnoće – art vizija

Reč je o pukom talasu verovatnoće : može se samo pretpostaviti gde se nalazi čestica ali njenu sigurnu lokaciju ne možemo znati sve dok ne izvršimo čin merenja i izazovemo tzv. kolaps talasne funkcije. Pre merenja čestica se nalazila u superpoziciji stanja, što znači da se nalazila bukvalno svuda: na Zemlji, na Mesecu, na Marsu, bilo gde u svemiru! Jedino je verovatnoća određivala njenu moguću poziciju, odnosno pre merenja smo mogli jedino znati sa određenom dozom verovatnoće gde će se čestica verovatno nalaziti. Veća verovatnoća je da se nalazi na Zemlji nego na nekoj egzoplaneti u svemiru ali poenta je da mi to ne možemo znati sa stoprocentnom izvesnošću. Tek kada izvršimo čin merenja, mi saznajemo gde se čestica tačno nalazi. U tom trenutku sve njene verovatnoće nestaju i ona zadobija svoju realnu poziciju u prostor-vremenu. Ovo ima ogromne filozofske implikacije zato što je, po teoriji, čestica istovremeno na svim mestima pre nego što se izvrši čin merenja. Njena realnost je „razlivena“ po verovatnoćama. Misaoni eksperiment „Šredingerova mačka“ se bazira na pomenutom principu neodređenosti. Zamislimo jednu kutiju u kojoj se nalazi mačka koju, naravno, ne možemo videti. U kutiji se sada nalazi oružje čiji je obarač privezan za jednu aparaturu. Ta aparatura se sastoji iz kontejnera u kome se nalazi jedan radioaktivni element i instrument koji registruje kada je došlo do radioaktivnog raspada.

Hajzenbergovo načelo neodređenosti

Taj instrument je povezan sa polugom koja je pak povezana sa obaračem pištolja. Kada dođe do raspada elementa, aparatura se aktivira i pištolj opali i usmrti mačku. Međutim, radioaktivni raspad je nasumični kvantno mehanički proces pa ne možemo znati kada će i da li će do raspada doći. Sve što možemo da uradimo je da podignemo kutiju i uverimo se u kakvom je stanju naša mačka. Međutim, pre nego što podignemo kutiju, mačka se nalazi u super poziciji stanja ona je istovremeno i živa i mrtva! Ovo je svakako nemoguće i kontraintuintivo. Zato postoje različita teorijska tumačenja načela neodređenosti od kojih ćemo pomenuti dva. Različita tumačenja načela neodređenosti Zbog toga što se na ovom mestu fizičari i filozofi razilaze, postoji nekoliko tumačenja kvantne mehanike i principa neodređenosti.

Od navedenih tumačenja navešćemo dva: klasično-Kopenhagensko tumačenje i Everetovo tumačenje mnoštva svetova. Kopenhagensko tumačenje se bazira na tome da su objekti stvarno opisani svojom talasnom funkcijom, odnosno distribucijom verovatnoće. Sam čin merenja je od presudne važnosti jer uvodi faktor posmatrača. Po Kopenhagenskom tumačenju objekti se zaista nalaze u super poziciji svojih stanja sve dok posmatrač (koji ne mora biti čovek nužno) ne izmeri tačnu poziciju čestice. Sam čin merenja dovodi do pomenutog tzv. kolapsa talasne funkcije i mi na kraju vidimo da je objekat u jednom stanju. Filozofski posmatrano, čin opažanja je taj koji nekako omogućava realitet predmetu. Kako? Postoje brojne nesuglasice ali jedno od zanimljivijih tumačenja glasi da je svest posmatrača ta koja dovodi do kolapsa talasne funkcije, što znači da posmatrači mogu samim činom opažanja da utiču na objektivnu stvarnost. Esse est percipi princip se u svojoj krajnjoj spekulativnoj implikaciji može primeniti na čitav univerzum. Fizičar Hju Everet je tokom pedesetih godina prošlog veka koncipirao teoriju mnoštva svetova. Ona ne uključuje princip dekoherencije (čestica je koherentna sa svim svojim pozicijama kada se nalazi u stanju super pozicije koje prethodi osmatranju, kada osmatrač izvrši merenje dolazi do dekoherencije sistema) ali isto tako ne uključuje čudnu pretpostavku da osmatračeva svest dovodi do kolapsa talasne funkcije. Everetova interpretacija uvodi još jednu mnogo čudniju pretpostavku: do kolapsa talasne funkcije nikad ne dolazi, čestica je koherentna sa svim svojim stanjima i ona egzistira u paralelnim univerzumima! Na ovom mestu se još jednom susrećemo sa pojmom „multiverzum“ koji je zapravo implikacija većine savremenih fizičkih i kosmoloških teorija. S filozofske i naučne pozicije nemoguće je utvrditi koje je od ova dva tumačenja tačnije! Jedan misaoni eksperiment koji je koncipiran tokom osamdesetih godina prošlog bio je pokušaj da se odgovori na ovo pitanje. Ni on nije uspeo u tome da ponudi definitivan odgovor na ovo najčudnije svojstvo kvantne mehanike.

Kvantno samoubistvo

Ovaj pomalo morbidni misaoni eksperiment koncipiran je sa namerom da se utvrdi koje je od dva gore navedena tumačenja ispravno. Sastoji se u sledećem. Za eksperiment su potrebne dve osobe, eksperimentator i asistent. Eksperimentator koji je spreman da se žrtvuje za dobrobit nauke pristaje da izvrši „kvantno samoubistvo“, odnosno spreman je na igru sa smrću samo da bi dokazao koje je od tumačenja kvantne mehanike ispravno a koje ne. Eksperimentator ulazi u sobu koja je koncipirana slično kao kutija u eksperimentu sa Šredingerovom mačkom. Po Kopenhagenskom tumačenju, eksperimentator se pre prvog hica iz puške suočava sa verovatnoćom od 50/50 procenata da će ostati živ. Pri svakom sledećem napinjanju oroza ta šansa se smanjuje.

Mnoštvo svetova – art vizija

Slično je i sa interpretacijom mnoštva svetova, dakle šanse da eksperimentator izađe živ posle svakog narednog hica su sve manje i manje. Suština eksperimenta je da nikada nećemo moći da dokažemo istinitost jednog ili drugog tumačenja. Na stranu moralna i etička strana ovog eksperimenta – niko naravno nije spreman da se stavi u poziciju eksperimentatora. Ali da je, recimo, osoba koja izvodi eksperiment poginula u svim mogućim svetovima i nekim čudom ostala živa u jednom, ona je dostigla „kvantnu besmrtnost“, što će biti poznato samo njoj. Ona nikada neće moći da dokaže tvrdnju da je postigla kvantnu besmrtnost nasuprot Kopenhagenskom tumačenju. U eksperimentu asistent je osoba koja opaža i vrši merenja ali ona nikada neće biti u stanju da dokaže koje od tumačenja je istinito jer ne postoji mogućnost da spozna pravo stanje stvari. Ako je eksperimentator mrtav, asistent neće znati da li je Kopenhagensko tumačenje istinito i da je osmotrio smrt eksperimentatora ili je teorija mnoštva svetova istinita i on živi u univerzumu u kome eksperimentator nije dostigao kvantnu besmrtnost. S druge strane, ukoliko je eksperimentator živ, asistent ponovo neće znati da li je istinito Kopenhagensko tumačenje pa je osmotrio slučaj kolapsa talasne funkcije pri kome eksperimentator ostaje živ ili je istinito tumačenje mnoštva svetova po kome se on nalazi u univerzumu u kome je eksperimentator postigao kvantnu besmrtnost. Još nije kraj čudima u kvantnoj mehanici Kvantna mehanika sa svojim paradoksima čini da filozofi budu veoma zainteresovani za nju. Ma koliko se kvantna mehanika činila čudnom i kontraintuitivnom, ona je ipak temelj prirode koja je izgleda mnogo čudnija nego što smo mogli da pretpostavimo u najsmelijim snovima.

Eksperiment sa dva proreza

Za kraj, možda najpoznatiji eksperiment u kvantnoj mehanici, eksperiment sa duplim prorezom… Aparatura za ovaj eksperiment je vrlo jednostavna, sastoji se od uređaja koji ispaljuje elektrone, zastora sa duplim prorezom i fotografske ploče. Najpre ispaljujemo elektrone kroz oba proreza. Slika koju ćemo dobiti na fotografskoj ploči izgledaće tako da su se elektroni grupisali tamo gde su prošli kroz prorez, odnosno imaćemo svetle i tamne pruge zavisno od toga na koji način su elektroni interferirali međusobno.

Eksperiment sa dva proreza

Interferencija se javlja kada se vrh jednog talasa poklopi sa drugim i on će se tada povećati ali neki put će se dogoditi da dno talasa bude poklopljeno sa dnom drugog talasa i tada će talas nestati. Zbog ovoga imamo interferencijsku sliku na fotografskoj ploči kao i kada smo propuštali svetlosne fotone kroz proreze i ovo potvrđuje talasnu prirodu čestica. Ali šta će se desiti ukoliko ispalimo samo jedan elektron i to kroz samo jedan prorez? Ono što ćemo ponovo dobiti je interferencijska slika! Kako je ovo moguće ukoliko je bio ispaljen samo jedan elektron? Sa kojom česticom je on bio u interakciji? On je, po načelu neodređenosti, bio u interakciji sa samim sobom! Čestica je bila u super poziciji svojih stanja i do fotografske ploče je putovala svim mogućim putanjama. Sada kada uvedemo posmatrača kao faktor, desiće se čudo: elektron kao da „zna“ da je posmatran proći će kroz samo jedan prorez jednom i nećemo imati interferencijsku sliku! Kao da je elektron sam izabrao da ne dođe do interakcije sa svojim super pozicijama! Zbog svega navedenog kvantna mehanika do dana današnjeg nije „ukroćena“ i nije smeštena u razumljive intuitivne konceptualne okvire. Zato filozofske interpretacije poput interpretacije mnoštva svetova dobijaju na snazi.

RSS
Follow by Email
Facebook
Twitter