26 лютого 2020

Всесвіт має безліч загадок та явищ, які не піддаються логічному поясненню. Класичні закони макросвіту людей абсолютно відмінні від законів мікросвіту. Поведінка елементарних частин нашого Всесвіту абсолютно непередбачувана і незрозуміла. Вчені можуть лише припускати чому все так відбувається в нашому світі. А чи є взагалі реальність об’єктивною? Чи можемо ми встановити закони поведінки елементарних частин, з яких складається все у Всесвіті? На ці питання вже протягом сторіччя намагається дати відповідь квантова механіка.

Квантова механіка є частиною квантової фізики. Вона вивчає закони мікросвіту і описує явища на рівні молекул, атомів, електронів і фотонів.

Вчені, заглянувши в мікросвіт виявили що він абсолютно не схожий на звичний світ речей. Один з основоположників квантової механіки казав: “Все, що ми називаємо реальним, складається з того, що не може вважатися реальним саме по собі”. Досліджуючи явища квантової механіки, вчені виявляли нереальні для макросвіту явища, наприклад те, що в дуже малих масштабах об’єкт може знаходитися в двох місцях одночасно, що поведінку частин визначає випадковість і що сама реальність не підвласна здоровому глузду.

В 1900 році, такий повсякденний для кожного предмет як лампа розжарювання, став причиною народження головної теорії науки того часу. Інженери знали, що якщо нагріти нитку в лампі розжарювання, вона почне випромінювати світло, але вченим не була зрозумілою фізика цього явища. Ще більш незрозумілим залишалось те, що при збільшенні температури нагріву змінювався колір світла. Саме дослідження взаємозв’язку температури та кольору світла стало початком розвитку квантової механіки.

Першим почав досліджувати це явище німецький фізик Макс Планк. Саме він ввів поняття кванта, і припустив, що енергія електромагнітної хвилі може випромінюватися “порціями”. Квантова механіка того часу розглядала світло саме як хвилю. Першим, хто серйозно сприйняв відкриття Планка, був нікому тоді невідомий Альберт Ейнштейн. Він зрозумів, що світло – це не тільки хвиля. Іноді воно поводиться як частка. Ейнштейн отримав Нобелівську премію за своє відкриття, що світло випромінюється порціями – квантами. Квант світла називається фотоном.

Стало абсолютно незрозумілим, чим же є світло: хвилею чи потоком частин? Зрозуміти це може допомогти один з фундаментальних експериментів квантової фізики з двома щілинами і спостерігачем.

Так було виявлено явище корпускулярно-хвильового дуалізму, що означає, що фотони є одночасно і хвилями і частинами. А в 1923 році Луі де Бройль припустив, що корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий не тільки фотонам, але і будь-якій мікрочастинці. Це принесло йому Нобелівську премію.

Також в ролику було продемонстровано, що при спостеріганні за електроном, він здатний змінювати свою поведінку. Тобто до вимірювання електрон вів себе як хвиля і його вектор напрямку знаходився одночасно у всіх напрямках. Але після вимірювання електрон зафіксував один певний напрям вектора. Це явище отримало назву “колапс хвильової функції”.

В межах квантової механіки на довгі роки затягнулась суперечка між Ейнштейном і його однодумцями Планком та Шредінгером, які вважали, що реальність є об’єктивною і наука ще просто не знає всіх властивостей мікрочастин, які дозволяли б стовідсотково передбачити поведінку квантів в конкретній ситуації та Нільсом Бором разом з Гейзенбергом, Борном, Ландау, які вважали що світом править принципова невизначеність, та те, що речі стають реальними лиш тоді, коли ми за ними спостерігаємо. Тобто практично, Бор стверджував, що коли ми не дивимося на Місяць, то він перестає існувати. В 1964 році видатний фізик Дж. Белл спробував вирішити кризу к сфері квантової фізики. Як можна перевірити чи є реальним щось, коли ви це щось не можете побачити? Белл вивів математичне рівняння, що дало можливість в експерименті отримати певну величину, що описує кореляції між віддаленими вимірами, і на її основі сказати, чи має сенс описувати квантові явища як ймовірні або як детерміновані. В 1972 році в Каліфорнійському університеті нарешті були проведені досліди, які зафіксували порушення нерівностей Белла і тим самим підтвердивши правоту квантової механіки. Це означає, що експериментально було підтверджено те, що Бор мав рацію. Значимість цього результату колосальна: фотони стають реальними лише тоді, коли ми їх спостерігаємо. В певному сенсі, Місяць справді не існує, коли ми на нього не дивимося.

Квантова механіка лише підтверджує що щоб не відбувалося в природі – нам не дано цього зрозуміти. Але це не означає, що людство повинно перестати шукати відповіді на свої питання.

Запрошуємо до читальної зали №3 переглянути книжкову виставку "Фізика нашого Всесвіту: що таке квантова механіка?".