Poza Dziwnością

Tutaj będą pisane felietony przez redaktorów forum. Katolickie spojrzenie na świat, na Boga, na sprawy wiary. Zapraszam do czytania.
ODPOWIEDZ
Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2020-07-02, 20:28

„Nikt nie jest w stanie powiedzieć co ZNACZY fizyka kwantowa”.
Przeczytałem ostatnio bardzo fajną książkę: „Beyond Weird” – Philipp Ball. Opowiada ona o tym co nauka jest w stanie obecnie powiedzieć o istnieniu. O zasadach rządzących naszym światem.
Jest niedawno napisana ( 2018 ) a autor zajmuje się tematem zawodowo, więc można oczekiwać, że wie co mówi 😊
Nie jest jednak nadęty i przeintelektualizowany. Przykłada się do tego, żeby przeciętny zjadacz chleba mógł jak najwięcej z niej zrozumieć.

Jako, że jest to temat często zajmujący moją głowę w kontekście Boga stwierdziłem, że streszczę sedno książki na tym forum.
( Występuje ona jeszcze tylko w języku angielskim, a uważam, że to co zawiera jest ważne, więc przekazuję )

To co będę tu pisał będzie w większości plagiatem z pana Balla ( trochę skróconym ) opatrzonym czasem moim komentarzem. Tym jak go rozumiem i jak widzę połączenie między mechaniką kwantową a wiarą.

Dla skrócenia w dalszych tekstach MK = mechanika kwantowa.

Mam prośbę, jeśli ktoś chciałby podyskutować o tym co będę tu wypisywał niech założy wątek równoległy. Chciałbym tu zachować jako taki porządek i czytelność.

Fragmenty oznaczone cytatem to bezpośrednie streszczenie z książki. Reszta ode mnie.

Szacuję, że raz na tydzień uda mi się streścić rozdzialik.

Dodano po 5 minutach 36 sekundach:
Rozdział 1
„Urodziłem się nie rozumiejąc mechaniki kwantowej i nadal jej nie rozumiem” – Richard Feynman ( Nobel 1965 ).
Człowiek uważany, za jednego z najwybitniejszych w historii tej dziedziny dobitnie i uczciwie podkreślał, że nie rozumie co mechanika kwantowa znaczy. Oczywiście nie miał na myśli tego, że nie umie „pracować” z mechaniką kwantową. Umiał dokonywać odpowiednich obliczeń, umiał przewidywać wyniki eksperymentów, itd.. był w tym wybitny.
MK choć bardzo trudna matematycznie nie dla tego jest „trudna”. Trudne są idee za nią stojące. Nie wiemy, jak przełożyć to co mówi matematyka na świat rzeczywisty, na coś co jesteśmy w stanie sobie wyobrazić i objąć rozumem.
MK zrewolucjonizowała koncepty atomu, cząstek, światła i dalej to robi. Prace nad nią rozpoczęły się około 1900 roku i były doprowadzone do użytecznej postaci w okolicach 1920. Jednak dopiero od 1960 naukowcy zaczęli testować idee leżące w jej rdzeniu. Niektóre testy nie były możliwe technologicznie do przeprowadzenia aż do 21 wieku, więc można powiedzieć, że historia jest pisana na naszych oczach. Natomiast jeśli celem jest teoria „zrozumiała” a nie tylko teoria przydatna, to jeszcze takiej nie ma.
Książka Balla prowadzi przez to co MK może nam powiedzieć, jednak nie uzurpuje sobie prawa do posiadania jedynej właściwej odpowiedzi, bo jej nie ma. Próbuje dać wyobrażenie jak kompletna teoria mogłaby wyglądać gdybyśmy ją mieli i uzmysławia, że każde potencjalne podejście podważa najgłębszą strukturę świata, który znamy ( a przynajmniej tak się nam wydaje ). Powoduje, że to co leży w najmniejszej skali obserwowalnego świata staje się dalece dziwniejsze i inne niż się spodziewaliśmy. I nie w ten sposób inne, że obowiązują tam inne zasady. Inne w ten sposób, że zmusza nas to przemyślenia czym w ogóle jest świat fizyczny – rzeczywistość i co właściwie robimy, gdy próbujemy się dowiedzieć czym jest.

Dalej autor sprowadza czytelnika trochę na ziemię z wyobraźnią, do poziomu, na którym operuje nauka i czysto pragmatyczne pojmowanie:
To co często przedstawiane jest jako „dziwność” mechaniki kwantowej jest po prostu efektem naszej chęci wyobrażania sobie jej lub opowiadania o niej historii. MK zaprzecza intuicji, co nie znaczy, że należy ją nazywać „dziwną”.
Podkreślanie tej „dziwności” często powoduje, że umyka nam to co jest rzeczywiście rewolucyjne w MK.
MK ze swoją zaskakującą i nadwyrężającą wyobraźnię naturą staje się elementem rozrywki w szerszym kontekście kulturowym. Artyści, pisarze, poeci i scenarzyści adaptują pomysły z nią związane w swoich dziełach. Można się kłócić na ile dokładnie.
Zdaniem autora jest słusznym, że tak się dzieje, że używamy wyobraźni do prób zrozumienia MK, gdyż możliwe, że tylko odpowiednio silna wyobraźnia odpowie na pytanie „co to wszystko znaczy”.
Najczęstsze przyczyny do nazywania MK dziwną to:
- Obiekty kwantowe potrafią być jednocześnie falą i cząstką.
- Obiekty kwantowe mogą być w więcej niż jednym stanie na raz. Np. tu i tam jednocześnie. Nazywane to jest superpozycją.
- Nie można jednocześnie poznać dokładnie dwóch właściwości obiektu kwantowego. – Zasada nieoznaczoności Heisenberga.
- Obiekty kwantowe mogą oddziaływać na siebie natychmiast na duże dystanse. ( Spooky action ). To efekt fenomenu nazywanego splątaniem.
- Nie można niczego zmierzyć bez zakłócenia tego czegoś. Wszystko staje się nieuniknienie subiektywne.
- Wszystko co może się wydarzyć, wydarza się.
A jednak MK nie mówi żadnej z tych rzeczy. Nie mówi niczego o tym „jakimi rzeczy są naprawdę”. Mówi jedynie o tym czego oczekiwać z poszczególnych eksperymentów. Wszystko powyższe jest polem interpretacji.
Jedne interpretacje wydają się bardziej prawdopodobne inne raczej bardzo mylne, ale żadna z nich nie wygląda na ostatecznie prawdziwą.
Nasuwa się pytanie czy w ogóle można opisać celnie to co w MK się dzieje. W samym „opisywaniu” posługujemy się pewnym katalogiem nieprecyzyjnych obrazów, metafor. Musimy ich używać, żeby komukolwiek, cokolwiek o MK powiedzieć. Chcemy zamaskować jak bardzo MK nie zgadza się z oczekiwaniami naszej intuicji, ale to właśnie jest do przekazania – tam nie zgadza się bardzo wiele.
Jesteśmy przyzwyczajeni, że teorie naukowe mają interpretację. Jest to nieodzowna ich cecha. Można by nawet powiedzieć, że cel istnienia. Chcemy rozumieć co do nas mówią. Dla przykładu ewolucja Darwina. Nie do końca musimy rozumieć mechanizmy rekombinacji genów podczas łączenia się komórki jajowej z plemnikiem, ale dokładnie wiemy co znaczy ewolucja. Losowe mutacje organizmów doprowadzają do tego, że jedne przeżywają jako mocniejsze a inne umierają jako słabsze. Każdy może to sobie wyobrazić, i już.
Feynman twierdził, że nie możemy nawet marzyć o czymś porównywalnym dla MK.
Wielu „użytkowników” MK nie za bardzo przejmuje się powyższymi problemami. Bardzo popularną jest postawa, którą skraca się do słów „zamknij się i licz”. Korzystaj z fenomenalnej dokładności narzędzi, które dostajesz, buduj coraz doskonalsze maszyny, ale nie zastanawiaj się dlaczego to właściwie działa. Rozmowy o znaczeniu MK stały się z zbiegiem czasu zajęciem jedynie garstki filozofów. Czasem piwnych rozmów studentów. Większość zbywa jednak temat stwierdzeniem „przecież i tak nikt tego nie rozumie”.
Inne nastawienie mieli Einstein, Bohr, oraz duża część współczesnych im twórców. Dla niektórych z nich zrozumienie znaczenia, które niesie MK stało się obsesją życia. John Wheeler w 98r powiedział, że chce przywrócić to podniecenie i zainteresowanie „dziwnością” MK, nawet gdyby miała to być ostatnia rzecz jaką zrobi na tym świecie. Jego działania przyczyniły się na pewno znacznie do ponownego podniesienia trudnych pytań i budowania doskonalszych eksperymentów na nie odpowiadających. O ile nie jest wiadome co znaczy MK to wiadomo już lepiej czego nie znaczy.
Do przeprowadzenia wielu eksperymentów potrzebny był też postęp technologiczny. Wymagane były takie umiejętności jak łapanie i manipulowanie pojedynczymi atomami, elektronami czy fotonami, poddawanie ich bardzo precyzyjnym pomiarom. Część eksperymentów przeprowadzana jest w przestrzeni kosmicznej by uniknąć grawitacji. Część w temperaturach niższych niż próżnia międzygwiezdna. Cząstki są wprowadzane w superpozycje, splątania. Przeprowadzane są „teleportacje” i badane są granice nieoznaczoności Heisenberga. Za te eksperymenty przyznawane są kolejne i kolejne nagrody Nobla. A to dlatego, że mówią nam dokładnie to co mówią, czyli, że dziwność MK, jej paradoksy są prawdziwe, nie są tylko aspektem równań matematycznych. Więc nie można mówić o zrozumieniu tego jak zrobiony jest świat bez ich uwzględnienia.
Dodatkowo ekscytującym elementem MK jest to, że jej paradoksy można zaprząc do pracy na rzecz techniki. Tym sposobem to co wcześniej wydawało się być niemożliwym staje się wykonalne. Jak np. przesył danych ze 100% bezpieczeństwem czy obliczenia nie wymagające właściwie czasu.
Co zmieniło się przez ostatnie 20 lat badań nad MK to to, że przestała ona być nauką o cząstkach, falach, o dyskretności czy niepewności. Stała się nauką o informacji. Ta nowa perspektywa dodaje teorii wzniosłości. Zamiast opowiadać o „rzeczach dziwnie się zachowujących” zadaje pytania znacznie ważniejsze jak np.: „co właściwie możemy wiedzieć”. MK można by nazwać dziś Teorią Wiedzy.
Ta nowa perspektywa nie zmienia tego w jaki sposób MK przeczy intuicji. Wydaje się, że nic nie może tego zmienić. Mówienie o „kwantowej informacji” wprowadza kolejne problemy. Np. czym ta informacja jest? Bo informacja nie jest czymś na co możesz wskazać jak na jabłko czy atom. Gdy używamy informacji na co dzień jest ona związana z językiem, znaczeniem i kontekstem. Informacja w rozumieniu fizyków jest trochę inna. Ta inność też wpływa na pytanie „co wiemy”.
MK nie ma więc wszystkich odpowiedzi, ale może ma już lepsze niż kiedyś pytania?
Ostatnio zmieniony 2020-07-03, 11:37 przez Praktyk, łącznie zmieniany 3 razy.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-02-28, 22:35

Rozdział 2
Jak widać ciężko jest znaleźć język do opisu tych wszystkich “kwantowych” zjawisk. Ale tak jest poniekąd poprawnie. Jeśli słowa przychodzą zbyt łatwo to znaczy, że jeszcze nie zanurzyliśmy się wystarczająco głęboko w nieznane. Bohr powiedział “jesteśmy zawieszeni w języku, w ten sposób, że nie potrafimy nawet powiedzieć co znaczy do góry, a co w dół. Również słowa ‘rzeczywistość’ musimy nauczyć się używać poprawnie”.

Jest nawet zabawnym, że większość tłumaczeń fizyki kwantowej obfituje w zwroty typu “To nie jest doskonała analogia, ale… “ Po tym następuje zwyczajowo wizualizacja pełna kulek i balonów. Ale bardzo łatwym jest dla pedantycznego słuchacza powiedzieć “to nie jest dokładnie tak” - bo nie jest. Nie taka jest jednak intencja. Taki prozaiczny wstęp jest często dobrym punktem zaczepienia do dalszych rozważań, a czasem jedynym czego można oczekiwać bez wglądu w szczegóły matematyczne.
Również specjaliści muszą pochylać się do takich wyobrażeń jeśli nie są gotowi trwać jedynie w abstrakcji matematycznej. Natomiast koniecznym jest opuszczenie tych wyobrażeń i pójście o krok dalej. Dopiero gdy to zrobimy dostrzeżemy, że jest tam coś bardzo poważnego. Coś wypychającego nas z komfortowego obszaru pewności i zrozumienia. Bohr dał kiedyś wykład o fizyce kwantowej grupie filozofów. Był bardzo zły, że jedynie siedzieli i kiwali głowami, zamiast głośno protestować. Powiedział następnie:

“Jeśli człowiek nie czuje się oszołomiony gdy dowiaduje się o kwantowych zachowaniach oznacza to, że nie zrozumiał ani słowa”.

Sugeruję, że za mało przejmujemy się tym co znaczy fizyka kwantowa. Nie, że jesteśmy za mało zainteresowani. Jest niezaprzeczalnym faktem, że artykuły o fizyce kwantowej w magazynach naukowych są tymi najbardziej poczytnymi. Jest też bardzo wiele książek na ten temat. Więc dlaczego sugerować, że się nie przejmujemy ? Bo naszym nastawieniem jest często coś w stylu “to nie nasz problem”. Czytanie o fizyce kwantowej bywa podobnym do czytania o antropologii. O jakimś dalekim lądzie, gdzie zwyczaje są jakieś dziwne. Mamy komfortową pewność tego jak zachowuje się nasz świat, a to ten inny jest dziwny. Takie myślenie jest wąskie, zamknięte. Mówimy w tym wypadku o tym samym świecie.

Im więcej wiemy o fizyce kwantowej, tym bardziej doceniamy też, że w swej odmienności nasz znajomy świat z niej wynika. Jeśli istnieje jeszcze bardziej fundamentalna teoria “wszystkiego” to trzeba już założyć, że będzie musiała utrzymać wszystkie dziwności fizyki kwantowej i wpleść je w nowe reżimy czasu i przestrzeni, aż do samego dna poznania.

Z fizyki kwantowej wynika, że świat pochodzi od czegoś bardzo innego od konwencjonalnego obrazu cząstek stających się molekułami, stających się gwiazdami i galaktykami. To też ma miejsce. Ale fundamentalna tkanka, z której to wszystko się wzięło rządzi się prawami, które zaprzeczają tradycyjnej narracji. Kwantowym stereotypem jest to, że fizyka kwantowa podważa naszą ideę tego “co jest rzeczywiste”. Jest to jednak stereotyp, który można użytecznie badać. Leonard Susskind nie przesadza stwierdzając, że akceptując fizykę kwantową kupujemy z nią to co powoduje, że rzeczywistość staje się radykalnie inna od klasycznego spojrzenia.

Zważmy, że “inne spojrzenie na rzecyzwistość” nie oznacza innego rodzaju fizyki. Jeśli tym czego potrzebuje czytelnik jest inny rodzaj fizyki wystarczy sięgnąć przykładowo do Einsteina i jego teorii względności, gdzie ruch i czas spowalnia, przestrzeń się zagina, itp. Nie jest to łatwe do wyobrażenia, ale generalnie możliwe. Wystarczy wyobrazić sobie wolniej płynący czas, odległości, które jakoś się “zmniejszają”. Da się dobrać do tych idei słowa. W fizyce kwantowej słowa są tępymi narzędziami. Dobieramy nazwy do kwantowych “rzeczy” i “procesów” ale są to tylko etykiety do konceptów, których nie da się poprawnie wyrazić w żadnych terminach poza nimi samymi.

Jeśli chcemy więc podejść poważnie do “innego widoku rzeczywistości” będziemy potrzebować trochę filozofii. Wielu naukowców podchodzi dość naiwnie do rzeczywistości jako do “tego tam czegoś co możemy widzieć, dotykać i wpływać na to” . Ale filozofowie już długo zauważali, rzeczywistość jest czymś o wiele więcej i wymagającym dużo głębszego przemyślenia. Próby interpretowania fizyki kwantowej wymagają tego przemyślenia. I zmuszają fizyków do poważnego potraktowania pytań jaki: “co jest rzeczywiste? czym jest wiedza? czym jest istnienie?”.
Naukowcy mają tendencję do odpowiadania na te pytania z niecierpliwością i irytacją jakby były oczywistą oczywistością. Ale ewidentnie nie są. I na szczęście niektórzy z nich to dostrzegają i wplatają pytania filozofów w swoje rozważania.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-03-13, 22:58

Rozdział 3

Czy jesteśmy więc skazani by być na wieczność “zawieszeni w języku”, jak stwierdził Bohr ? Niektórzy badacze optymistycznie twierdzą, że wprost przeciwnie, może być kiedyś możliwym wyrażenie fizyki kwantowej przy użyciu, jak to jeden z nich stwierdził, “zestawu prostych i fizycznie intuicyjnych zasad, oraz przekonującej historii z nich wynikającej”. Wheeler stwierdził, że gdy już naprawdę zrozumielibyśmy centralny punkt teorii kwantowej, bylibyśmy w stanie wyrazić ją w jednym prostym zdaniu.

Nie ma jednak na to gwarancji, a wręcz wydaje się to mało prawdopodobne by przyszłe eksperymenty obdarł fizykę kwantową ze wszystkich przeciwnych intuicji aspektów i ujawniły coś tak konkretnego, zdroworozsądkowego i satysfakcjonującego jak klasyczna fizyka w starym stylu.
By wyrazić się jasno. Nie mam na myśli koniecznie tego, że nikt nie będzie wiedział co teoria kwantowa znaczy, ale raczej, że nigdy nie znajdziemy słów by godnie to zrozumienie wyrazić. David Mermin wyraził odpowiednio to, co wielu kwantowych fizyków widzi w Nielsie Bohrze, który zdobył reputację guru z prawie-mistycznym zrozumieniem.

“Czasami to uczucie trwa przez wiele minut. Jest ono trochę jak doświadczenie religijne. I co naprawdę mnie martwi, to to, że jeśli jestem na właściwej ścieżce, to któregoś dnia, być może całkiem niedługo, cały ten interes stanie się dla mnie oczywisty. I od tego samego momentu będę wiedział, że Bohr miał rację, ale nigdy nie będę w stanie nikomu tego wyjaśnić. “

Może być też tak, że faktycznie jedynym co możemy robić jest “zamknąć się i liczyć” a pozostawić resztę jako kwestię gustu. Ale myślę, że da się lepiej, i że powinniśmy do tego aspirować. Możliwe też, że mechanika kwantowa spycha nas do granicy tego co możemy wiedzieć i rozumieć. Niech i tak będzie, zobaczmy więc czy przypadkiem my również nie możemy jej trochę popchnąć.
Dodano po 1 minucie 14 sekundach:
Rozdział 4

“FIZYKA KWANTOWA NIE JEST TAK NAPRAWDĘ O KWANTOWOŚCI”

Pokusa by opisać fizykę kwantową jako sagę historyczną jest przytłaczająca. Jest to wspaniała opowieść. Jak na początku dwudziestego stulecia fizycy zaczęli uświadamiać sobie, że świat jest skonstruowany inaczej od tego co zakładali. W jaki sposób ta nowa fizyka zaczęła stopniowo ujawniać swoje dziwne implikacje. Jak jej odkrywcy głowili się, kłócili, improwizowali, zgadywali by wymyślić teorię, która to wszystko wyjaśni. Jak wiedza kiedyś uznana za precyzyjną i obiektywną teraz zaczęła wydawać się niepewna, warunkowa i zależna od obserwatora.

No i jaka obsada ! Albert Einstein, NIels Bogh, Werner Heisenberg, Erwin Shroedinger, oraz inni barwni intelektualni giganci jak John von Neumann, Richard Feynman oraz John Wheeler. Najlepsza ze wszystkich ze względu na swą wartość narracyjną jest ostra ale życzliwa dysputa, trwająca przez dekady pomiędzy Einsteinem i Bohrem. O tym “co to wszystko znaczy” - o naturze rzeczywistości. Jest w rzeczy samej wspaniała historia i jeśli jej nigdy nie słyszeliście, to powinniście.

Najbardziej jednak popularne opisy fizyki kwantowej były również ograniczone swoją historyczną ewolucją. Nie ma powodu by sądzić, że najbardziej istotne aspekty teorii były odkryte na początku, oraz bardzo wiele powodów by sądzić, że nie były. Nawet sam termin “kwantowy” jest mylącym tropem, gdyż fakt, że teoria generuje świat, który jest ziarnisty, cząsteczkowy, podzielony na dyskretne “kwanty” a nie ciągły i płynny jest raczej jej objawem niż źródłową właściwością.

Gdybyśmy więc wybierali nazwę fizyki kwantowej dzisiaj, nazwalibyśmy ją jakoś inaczej.

Nie zamierzam ignorować historii. Nie da się tak po prostu tego zrobić, zwłaszcza, że to co mieli do powiedzenia znakomici w tej materii, pozostaje istotne i dzisiaj. Ale opowiadanie o fizyce kwantowej chronologicznie może stać się częścią problemu, który z nią mamy. Zostaniemy przywiązani do pewnej wizji tego co ma znaczenie, ale jednocześnie wizji, która już nie wydaje się patrzeć z właściwego kierunku.

Dodano po 36 minutach 1 sekundzie:
Co można by uznać za ważne z tego rozbudowanego wstępu... będzie o tym dalej szczegółowo, ale jednak.

Naukowcy natrafili na zjawiska, które przeczą rozumowi. A przynajmniej rozumowi bazującemu na znanej na co-dzień fizyce.
Bardzo by chcieli by był to tylko problem z naszym aparatem rozumowania i słownictwem przywiązanym do świata klasycznego.
Chcieliby, by gdzieś na dole tego nowego galimatiasu nadal była prosta matematyczna zasada, z której można wszystko obliczyć, zasymulować.
Chcieli by mieć możliwość nadal "wiedzieć wszystko".

Ale jeśli z naszym aparatem rozumowym jest wszystko ok... i trzeba zaakceptować, że nie wszystko da się wiedzieć, chociaż bardzo byśmy chcieli - bo tak nasz świat został zaprojektowany...

Sami naukowcy zaczynają to widzieć:
Nie ma jednak na to gwarancji, a wręcz wydaje się to mało prawdopodobne by przyszłe eksperymenty obdarł fizykę kwantową ze wszystkich przeciwnych intuicji aspektów i ujawniły coś tak konkretnego, zdroworozsądkowego i satysfakcjonującego jak klasyczna fizyka w starym stylu.

W fizyce kwantowej jest miejsce na Boga. W fizyce kwantowej jest miejsce na świadomość, ducha. W świetle naszej wiary w jakiejś fizyce, na odpowiednio niskim poziomie, musi być na to miejsce. Jest szansa, że już teraz naukowcy natknęli się na odpowiednie dziury w nauce, do których można dopasować świat ducha.

Tą myśl będę starał się obrabiać przy okazji dalszych rozdziałów, gdyż uważam ją za słuszną.
Bazuję tu na rozważaniach zaczerpniętych z mądrzejszych ode mnie jak Jacyna Onyszkiewicz, David Chalmers.
Ostatnio zmieniony 2021-03-13, 22:22 przez Praktyk, łącznie zmieniany 1 raz.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-03-21, 18:17

Rozdział 5

Fizyka kwantowa miała trudną genezę. Jej pionierzy musieli wymyślać ją… prawie z niczego. Był to kompletnie nowy rodzaj fizyki. Nie mogli wydedukować jej z tego co stare, ale byli jednak w stanie połączyć ją z zaskakującą ilością tradycyjnej fizyki i matematyki. Kleili stare koncepty i nowe metody w nowe formy matematyczne, które często były po prostu szczęśliwymi strzałami na podstawie intuicyjnych przypuszczeń.
Jest niesamowitym jak te przeczucia i podejrzenia na temat bardzo specyficznych, a nawet tajemniczych zjawisk połączyły się w teorię tego rozmiaru, precyzji i mocy. Zdecydowanie zbyt mało uwagi zwraca się na ten aspekt w rozważaniach zarówno historycznych jak i naukowych.
Studentowi mechaniki kwantowej przedstawia się tą matematyczną maszynerię tak jakby była ona wynikiem rygorystycznej dedukcji i rozstrzygających eksperymentów. Nikt nie mówi tego, że teorii brakuje w gruncie rzeczy jakiegokolwiek innego umocowania niż to, że działa ( jakkolwiek jest to oczywiście bardzo istotne ).
Oczywiście odkrycia nie mogły wynikać wyłącznie z przypadku. Powodem dlaczego Einstein, Bohr i inni byli w stanie wymyślać matematykę mechaniki kwantowej jest to, że posiadali niesamowitą intuicję bazującą na erudycji w fizyce klasycznej. Mieli instynktowne wyczucie tego, które elementy fizyki konwencjonalnej wykorzystać, a które wyrzucić. To nie zmienia faktu, że formalizm teorii kwantowej jest raczej prowizorką i to dość arbitralną. Tak, najbardziej precyzyjna teoria fizyczna jaką posiadamy jest czymś w rodzaju maszyny Rube Goldberga.
Też musiałem się dowiedzieć co to jest :) To dobrze wyjaśnia:
Obrazek
Ale co gorsza,funkcjonowanie tego typu urządzeń ma jasną logikę. Racjonalne połączenie między jedną częścią a drugą. Tymczasem najbardziej fundamentalne równania i koncepty mechaniki kwantowej to zainspirowane czymś strzały.
W kontekście tego rozdziału, chociaż to trochę poza głównym obszarem mojego zainteresowania warto sobie pomyśleć jak to w ogóle jest, że człowiek jest w stanie w swojej głowie stworzyć wyobrażenie i zrozumienie jakiegoś mechanizmu ( bo tym w sumie jest taka teoria ), którego nigdy nie widział. Tak jakbyśmy próbowali układać puzle, które są niekompletne, brakuje np połowy puzli.
I o ile na puzlach jest coś co znamy, np samochód, to na podstawie połowy puzli odgadniemy, że to samochód.
Ale tu na puzlach jest coś czego nigdy nie widzieliśmy...
Skąd to się bierze w ludzkiej głowie ? Ciekawa sprawa.

Ale trochę poza tematem :)



Rozdział 6

Odkrycie naukowe często rozpoczyna się od obserwacji lub eksperymentu, którego nikt nie może wyjaśnić. Z fizyką kwantową również tak było. W rzeczy samej, teoria nie mogłaby powstać w sposób inny niż z eksperymentu - dlatego też nie ma absolutnie żadnego logicznego powodu by oczekiwać czegokolwiek z rzeczy, które ta teoria mówi.
Nie da się dojść do mechaniki kwantowej wnioskując ( pewnie też dlatego nie da się z niej wydostać wnioskując ). Jest po prostu próbą opisu tego co widzimy badając naturę wystarczająco blisko.

Co jednak odróżnia fizykę kwantową od innych empirycznie motywowanych teorii, to to, że nie da się ( lub jeszcze się nie udało ) skonstruować jej z bardziej bazowych pojęć. Przy każdej teori w pewnym momencie nie możesz się oprzeć pytaniu “Więc dlaczego to wszystko jest właśnie takie? Skąd pochodzą te zasady ?” Zwykle w nauce możesz odpowiedzieć na te pytania ostrożnie obserwując i mierząc dalej to co chcesz.
Z mechaniką kwantową to nie jest tak proste. Gdyż nie jest to do końca teoria, którą da się przetestować przez obserwację i pomiar, a bardziej teoria tego co to znaczy obserwować i mierzyć.
Skoro już trochę zaczyna się o obserwacji... moim zdaniem ważnym pytaniem jest - czy w ogóle możliwa jest obserwacja, czy pomiar bez udziału świadomości ? Czy jesteśmy w stanie skonstruować taki eksperyment, który nie kończy się świadomym obserwatorem ? Przecież gdyby taki był, to nikt nie dowiedział by się o jego wyniku ? Bezpośrednio czy pośrednio, każdy ludzki eksperyment kończy się na świadomości.
A co było zanim pojawił się człowiek ? Co było zanim pojawiło się życie ? Czy może istnieć jakakolwiek informacja niezaobserwowana przez świadomość ?


Na razie to taka dygresja, bo dalej rozpoczyna się wyjaśnienie tego jak to było z tą "kwantowością", która ostatecznie okazuje się mało istotna :

Mechanika kwantowa rozpoczęła się od prowizorycznej próby niemieckiego fizyka Maxa Plancka w roku 1900. Studiował on to w jaki sposób obiekty wypromieniowują ciepło, co wyglądało na tak konwencjonalne i prozaiczne pytanie, jakie mógł zadać fizyk. Była to kwestia w dużym zainteresowaniu fizyków z końcówki XIX wieku ale w ogóle nie wyglądała jak coś co wymaga nowego spojrzenia na cały świat.
Ciepłe ciała emitują promieniowanie. Jeśli są wystarczająco gorące to część tego promieniowania staje się światłem widocznym. Stają się “czerwone z gorąca” lub przy większej ilości ciepła “rozgrzane do białości”. Fizycy skonstruowali idealizowany sposób opisu takich sytuacji, w którym obiektem emitującym jest “ciało doskonale czarne”. Znaczy to tyle, że obiekt absorbuje wszelkie promieniowanie, które na nie pada. To w celu uproszczenia sytuacji i skupienia się tylko na tym co jest emitowane.

Okazało się możliwym wykonać takie ciała, które zachowywałyby się jak ciało doskonale czarne. Dziura w rozgrzanym piecu zadziałała doskonale. Udało się też zmierzyć ile energii wypromieniowuje taki obiekt na różnych długościach fali świetlnej. Ale wyjaśnienie tych pomiarów w kontekście wibracji wewnątrz rozgrzanego ciała ( źródła promieniowania ) nie było już takie proste.
Wyjaśnienie było zależne od tego jak energia cieplna rozkładała się na różne wibracje. Był to problem dla działu nauki zwanego termodynamiką, który opisuje jak przemieszcza się ciepło i energia. Obecnie utożsamiamy wibracje ciała czarnego z drganiami atomów, które wchodzą w jego skład. Ale gdy Planck studiował ten problem nie było jeszcze bezpośrednich dowodów na istnienie atomów, więc pojęcie Plancka o tym czym są te “wibracje” było mgliste.

To co zrobił Planck wydawało się bardzo nieszkodliwym. Odkrył, że rozbieżność pomiędzy przewidywaniami termodynamiki w temacie radiacji ciała doskonale czarnego i tym co zaobserwował eksperymentalnie może być wyjaśniona jeśli założy się , że energie oscylatorów ( atomów ) w ciele czarnym nie mogą przyjmować wszystkich wartości, ale są ograniczone do pewnych “kawałków” o określonym rozmiarze ( kwantów ), proporcjonalnych do częstotliwości drgania. Innymi słowy, jeśli oscylator ma częstotliwość f, to jego energia może przyjmować jedynie wartości, które są wielokrotnościami f pomnożonymi przez pewną stałą h. Tą stałą nazywamy obecnie stałą Plancka. Energia może być w takim wypadku równa hf, 2hf, 3hf itd. Ale nie może przyjmować wartości pośrednich. Z tego wynika, że każdy z oscylatorów może emitować ( i absorbować ) tylko promieniowanie w pewnych dyskretnych pakietach z częstotliwością f wtedy gdy przeskakuje pomiędzy kolejnymi stanami energetycznymi.

Ta historia jest często opowiadana jako próba uniknięcia przez Plancka “katastrofy ultrafioletowej” - przewidywania fizyki klasycznej, mówiącego o tym, że ciepłe ciała powinny emitować coraz więcej i więcej promieniowania gdy długość fal się zmniejsza ( tj. staje się bliższa ultrafioletowego końca spektrum światła widzialnego ). To przewidywanie, które implikuje ( co niemożliwe ), że ciepłe ciała będą emitować nieskończenie wiele energii, pochodzi z założenia, że energia cieplna ciała jest równo podzielona pomiędzy wszystkie jego częstotliwości wibracji.
Prawdą jest, że hipoteza Plancka poprzez założenie, że wibracje nie mogą przyjmować wszystkich częstotliwości, pozwala uniknąć tego niewygodnego przewidywania. Ale nie to było motywacją Plancka. Myślał też, że jego formuła dotycząca promieniowania ciał czarnych stosuje się jedynie do niskich częstotliwości, podczas gdy katastrofa ultrafioletowa miał dziać się przy wysokich częstotliwościach.

Hipoteza Plancka nie okazała się wystarczająco “pilnym” kryzysem. Nie spowodowała wystarczająco podniecenia ani kontrowersji do zajęcia się nową teorią. Dopiero Albert Einstein wywołał taki ferment naciskając by uwzględnić kwantowość jako ogólny aspekt świata mikroskopowego.
W 1905 Einstein zasugerował, że kwantyzacja jest prawdziwym efektem, nie tylko trickiem potrzebnym do tego by zgodziły się równania. Wibracje atomowe naprawdę mają takie ograniczenia. Co więcej, powiedział, że dotyczy to również energii samych fal świetlnych. Ich energia jest podzielona w pakiety zwane fotonami. Energia każdego pakietu jest równa h ( stałej Plancka ) pomnożonej przez częstotliwość fali świetlnej ( ilość drgań na sekundę ).
Wielu kolegów Einsteina ( również Planck ) twierdziło, że traktuje on zbyt dosłownie to co Planck wprowadził wyłącznie dla matematycznego porządku. Ale eksperymenty dotyczące światła i jego powiązania z materią wkrótce pokazały, że Einstein miał rację.

W taki to więc sposób na początku fizyka kwantowa wydawała się być o “skwantowanej energii”. O tym jak zwiększa się ona krokami, nie w sposób ciągły. A to dla atomów, dla cząstek oraz dla promieniowania świetlnego. To, jak się nam mówi, było podstawową zawartością wczesnej teorii. Reszta została dodana jako aparat teoretyczny potrzebny by poradzić sobie z tym efektem.

Powiedzieć to jednak to trochę jakby powiedzieć, że teoria grawitacji Newtona była o tym jak komety poruszają się przez układ słoneczny. Faktycznie to pojawienie się komety w 1680 pobudziło Newtona do pomyślenia o kształcie jej ścieżki oraz do sformułowania, praw grawitacji wyjaśniających ją. Ale jego teoria grawitacji nie jest oczywiście o kometach. Odzwierciedla leżącą niżej zasadę natury, której manifestacją jest ruch komety. W podobny sposób fizyka kwantowa nie jest o kwantach. Podział energii na kawałki jest jedynie skutkiem, manifestacją. Kwantyzacja zaalarmowała jedynie Einsteina i jego kolegów, że coś z fizyką klasyczną jest nie tak. Była to taka wskazówka, a nie należy mylić wskazówki z odpowiedzią. Pomimo, że obaj Planck i Einstein zostali sowicie wynagrodzeni nagrodą Nobla za wprowadzenie kwantowości, ten krok był po prostu wypadkiem, który “puścił kulę w ruch”. Również kilka innych eksperymentów w latach 20tych i 30tych mogło rozpędzić teorię kwantową, gdyby nie nie zrobił tego Planck.

Ujmijmy to jeszcze w ten sposób. Gdy masz już dane zasady fizyki kwantowej, dostaniesz z nich kwantyzację. Ale wnioskowanie odwrotne nie jest prawdziwe. Kwantyzacja energii sama w sobie mogłaby w sumie być fenomenem fizyki klasycznej. Można by sobie wyobrazić, że natura akurat okazała się być właśnie taką, że energie są skwantowane, ograniczone do pewnych dyskretnych wartości. Byłoby to zaskakujące ( nie mielibyśmy powodu tego się spodziewać), ale czemu by nie ? To mógł być koniec historii… natura jest zgranulowana w swojej najmniejszej skali. Einstein pewnie byłby zadowolony również z tego. Tak jednak nie było.

Najlepszą ilustracją jaką znam na temat kwantyzacji jest ta pochodząca z książki “Mechanika kwantowa: Minimum Teoretyczne”, bazująca na serii wykładów Leonarda Susskinda, profesora fizyki teoretycznej na uniwersytecie Stanforda, wygłoszonej dla studentów, która była napisana z pomocą Arta Friedmana. Książka jest opisana jako “dla każdego, kto kiedykolwiek żałował, że nie wybrał studiów fizycznych, kto trochę wie, ale chciałby wiedzieć więcej”. To trochę optymistyczna ocena, ale z rozsądnym poziomem wiedzy matematycznej można by nauczyć się wszystkiego co trzeba do prześledzenia tego fantastycznego traktatu o fizyce kwantowej. Z tym celem w głowie Susskind zorganizował materiał w ten sposób by powiedzieć czytelnikowi co potrzebuje wiedzieć, żeby dowiedzieć się tego co chce. Jest to nastawienie kontrastujące do najpopularniejszego podejścia chronologicznego. I kiedy wtedy uczysz się o kwantyzacji w oscylatorach Plancka ? W ostatnim rozdziale. Właściwie kwantyzacja pojawia się w ostatniej sekcji ostatniego rozdziału. Tak nowoczesna fizyka ocenia istotność hipotezy Plancka. I jest to uczciwa ocena.

Podsumowując ten rozdział. Intencją autora jest dobitne przekazanie, że kwantowość nie jest tym na czym należy i warto się skupiać rozważając tą teorię. Są w niej koncepcje o wiele istotniejsze. Błędem byłoby więc uczepienie się poszatkowania energii na kawałki i z racji sprzeczności tego z intuicją i codzienną percepcją odrzucenie całej reszty.
Ostatnio zmieniony 2021-03-21, 21:38 przez Praktyk, łącznie zmieniany 1 raz.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-03-28, 23:34

Rozdział 7

Więc jeśli chcesz zrozumieć o czym naprawdę jest mechanika kwantowa, od czego zaczynasz ? Pierwszy wykład Susskinda to “Systemy i Eksperymenty”. Tutaj Susskind wyjaśnia co jest fundamentalnie innego pomiędzy kwantową i klasyczną mechaniką. I nie jest to ( jak często się próbuje insynuować ), że “kwantowość” działa w małej skali a “klasyczność” w dużej.

W praktyce, to często właśnie jest różnica, ale tylko dlatego, jak później zobaczymy, że w momencie gdy obiekty stają się tak duże jak piłki tenisowe, kwantowe zasady jakoś konspirują ze sobą by generować zachowania klasyczne. Znaczenie różnicy w wielkości nie leży w tym co obiekty faktycznie “robią”, ale w naszej percepcji. Nie wyewoluowaliśmy do tego by odbierać kwantowe zachowania za wyjątkiem ich ograniczonej do klasycznych zachowań formy. Nie mieliśmy bazy do tego, żeby wypracować sobie intuicję do nich. To może być część historii, ale nie cała, jak się przekonamy.
ąclecia ) .
Autor trzyma się twardo nauki, więc zgodnie z jej najlepszą wykładnią człowiek wyewoluował. Nie jest to aż tak istotne w rozważaniach. Ale skoro już o tym, to wiedząc, że nie wyewoluował, można by sobie pomyśleć, że takie ułożenie rzeczywistości, w której dla naszych zmysłów dostępne są zrozumiałe i dostosowane do nas samych zachowania natury jest celowe.
Jak wszystko zresztą w działaniu Boga...
Skoro zachowania na niższym poziomie przeczą zmysłom i rozumowi to czy mieliśmy je w zamyśle Boga poznawać ? I dalej... czy zaczęlibyśmy je poznawać bez grzechu pierworodnego ? Offtop.

Pociesza mnie fakt, że o tych właśnie tematach Jacyna Onyszkiewicz dawał wykłady JPII. Więc jeśli mieliśmy nie wiedzieć, to mleko rozlało się dużo wcześniej :)

więc dalej:
Kluczowe rozróżnienie pomiędzy klasyczną i kwantową mechaniką według Susskinda, to :
  • Fizyka kwantowa ma “inne abstrakcje” - to jak obiekty są reprezentowane matematycznie, i to jak te reprezentacje są powiązane logicznie.
  • Fizyka kwantowa ma inne powiązanie między stanem systemu a rezultatem pomiaru na tym systemie.
Nie martw się jeszcze o ten pierwszy. Potraktuj go analogicznie do powiedzenia, że koncepty, których używamy w fizyce są inne niż te, który uzywamy, powiedzmy, w makroekonomii. To nic wielkiego.

Powinieneś się natomiast przejmować tym drugim. W tym sensie, że cała zaprzeczająca intuicji natura fizyki kwantowej jest w nim upakowana.

Co to znaczy w ogóle rozmawiać o powiązaniu pomiędzy stanem systemu i pomiarem systemu ?
To nie spotykane stwierdzenie, a to dlatego, że to powiązanie to jest zazwyczaj tak trywialne, że nawet o nim nie myślimy. Jeśli piłka tenisowa jest w stanie podróżowania przez powietrze z prędkością 100km/h, i zmierzę jej prędkość, to to będzie wartość, którą zmierzę. Pomiar mówi nam o stanie ruchu piłki. Oczywiście są granice dokładności, może muszę powiedzieć, że prędkość piłki to 100 +/- 1 km/h. Ale to tylko problem przyrządu pomiarowego. Mógłbym prawdopodobnie zmierzyć lepiej.

Nie mamy więc problemu z powiedzeniem, że piłka tenisowa podróżowała z prędkością 100km/h i że to właśnie zmierzyłem. Piłka miała istniejącą wcześniej właściwość - prędkość 100km/h, którą mogłem określić poprzez pomiar.

Nigdy byśmy nie pomyśleli, że piłka podróżowała 100km/h PONIEWAŻ ją zmierzyłem. To nie miałoby żadnego sensu.


W teorii kwantowej musimy oświadczać takie właśnie rzeczy. A następnie nie możemy przestać pytać co to znaczy. I wtedy zaczyna się dyskusja.
Zaznaczyłem ten element, bo to jeden z tych wywracających zdrowy rozsądek do góry nogami. Jak to "PONIEWAŻ"...
Jakbym nie zmierzył to było by inaczej ? A no właśnie... i nie jest to kwestia zaburzenia pomiarem, tego, że jak wpychamy elektrodę w korę mózgową to zmieniamy układ mierzony. To inny temat. Będzie to dalej jasno rozróżnione przez autora.

Warto tu postawić ważną tezę, "świadomy mierzący/obserwujący uzyskując informację o mierzonym obiekcie ustala "na sztywno" jego obecność w rzeczywistości", zanim to zrobi obiekt może być jedynie potencjałem. Miksem możliwych "zaistnień". Zaistnień stających się rzeczywistością wtedy gdy dotrą do świadomego odbiorcy. Kto decyduje w jakiej formie potencjał zaistnieje ? Dla wierzącego odpowiedź była by jedna. Oczywiście jeśli ten wywód ma sens.

Nauka nie uznaje pojęcia "świadomość", więc nie oczekuję na to odpowiedzi tak lub nie. Ale chcę prześledzić co mówi fizyk, który ewidentnie zna temat, żeby sprawdzić, czy to wykluczone, czy jednak możliwe.

Co dalej musiało by tu wynikać: w większości przypadków wszystko zostało zaobserwowane/usztywnione bez naszego udziału, przez Boga. Bóg z wszystkich możliwych potencjałów ustalił jako rzeczywistość jakiś jeden. Ale miejscami jak widać nie tak całkiem na sztywno... no bo przecież udało się zaobserwować taki moment, że coś nie jest ustalone aż zapytaliśmy o to eksperymentem. Jaki cel takiego "rozluźnienia" determinizmu ?

Moim zdaniem po to, żeby zrobić miejsce na naszą wolną wolę ( chociaż pewnie nie tylko )...


A więc śledźmy dalej :

Później zobaczymy niektóre z konceptów, które zostały wypracowane by rozmawiać o problemie pomiaru - relacji między stanem systemu kwantowego i tym co obserwujemy. Usłyszymy o talizmanicznych przyrządach konceptualnych teorii kwantowej: funkcji falowej, superpozycji, splątaniu i tak dalej. Ale to wszystko to jedynie przydatne narzędzia do tego, żeby tworzyć przewidywania tego co pomiar nam pokaże, co jest w ostateczności podstawowym celem nauki fundamentalnej.

Druga zasada Susskinda - zależność pomiędzy systemem i pomiarem - może zostać ubrana w słowa, bez konieczności żadnych równań czy wyrafinowanego żargonu. Nie jest łatwo zrozumieć co te słowa znaczą, ale odzwierciedlają fakt, że najbardziej podstawowa wiadomość teorii kwantowej nie jest czysto matematyczna.

Niektórzy fizycy mogą pokusić się by udowadniać dokładnie coś przeciwnego, że matematyka jest najbardziej fundamentalnym opisem. Mogą tak powiedzieć, ponieważ matematyka ma doskonały sens tam gdzie słowa nie do końca go mają. Ale to byłby błąd semantyczny.
Tu ewidentny prztyczek w nos Maxa Tegmarka, który właśnie próbuje promować wizję tego, że matematyka jest jedynym co istnieje. Ball najwyraźniej gdzieś wewnętrznie się z tym nie zgadza. Będzie o tym w jednym z dalszych rozdziałów.
Równania rzekomo opisujące rzeczywistość fizyczną są bez interpretacji jedynie znaczkami na papierze.

Nie możemy schować się za równaniami bojąc braku sensu słów - nie jeśli naprawdę chcemy odnaleźć znaczenie. Feynman to wiedział.

Druga zasada Susskinda to tak naprawdę zdanie o naszym aktywnym udziale w świecie, gdy szukamy o nim wiedzy. To jest miejsce w którym musimy szukać znaczenia ( co było też podstawą filozofii przez ponad dwa tysiąclecia ) .
To bardzo ważny argument. Postawa dużej części środowiska naukowego to właśnie schowanie się za równaniami w strachu przed brakiem zrozumienia. A gdy już któryś naukowiec wychodzi z tego bunkra to jest w stanie spiąć fizykę z wiarą. Jak np Jacyna Onyszkiewicz. I to w dość zrozumiały dla przeciętnego wierzącego człowieka sposób.

Dodano po 18 minutach 1 sekundzie:
Rozdział 8

W tym rozdziale autor przybliża problem dualności fala/cząstka.

"Kwantowe obiekty nie są ani falą ani cząstką ( chociaż czasami mogą również być )"

Jednym z problemów w mówieniu o obiektach kwantowych jest decyzja jak je nazywać. Niby trywialna sprawa, ale okazuje się być fundamentalną.

Stwierdzenie “Obiekty kwantowe” jest niezwykle niezdarne i niejasne. Co złego tak właściwie jest z “cząstką”? Kiedy mówimy o elektronach i fotonach, atomach i molekułach, wydaje się zupełnie rozsądnym używać tego słowa, i okazjonalnie będziemy go używać. Wtedy widzimy w wyobraźni obraz maleńkiej “rzeczy”, mikroskopijnej kulki od łożyska, twardej i lśniącej.

Ale prawdopodobnie najbardziej znanym powszechnie kwantowym faktem jest to, że “cząstki mogą być falami”. Co wtedy staje się z naszymi miniaturowymi kuleczkami ?

Moglibyśmy po prostu nadać tym kwantowym “rzeczom” jakąś nową nazwę: powiedzmy “kwantony”.
Z definicji mogłyby one przejawiać cząsteczkowe lub falowe zachowania. Ale w tym temacie jest już zdecydowanie za dużo żargonu i zastąpienie znajomych, wygodnych słów neologizmami, które wydają się zaprojektowane tylko po to, żeby zamieść komplikacje pod dywan, nie jest zbyt satysfakcjonujące.
Warto zapamiętać ten argument, gdyż dokładnie w ten sposób zamiatając pod dywan kolejne komplikacje zostało stworzone bardzo ważne i nieintuicyjne pojęcie "NIELOKALNOŚCI". Ale o tym dalej w książce.

Więc dla bieżących potrzeb “obiekty” i “cząstki” będą musiały wystarczyć. Poza przypadkami, tak sądzę, kiedy są jak fale.

Pojęcie dualizmu falowo-cząsteczkowego (korpuskularno-falowego ) sięga najwcześniejszych dni mechaniki kwantowej, ale jest zarówno pomocą jak i przeszkodą w naszym zrozumieniu. Einstein wyraził to mówiąc, że obiekty kwantowe prezentują się nam dając wybór języka, ale jest zbyt szybko zapominanym, że to właśnie to o co chodzi, walka o sformułowanie właściwych słów, nie opisu rzeczywistości za nimi. Obiekty kwantowe nie są czasami cząsteczkami a czasem falami, jak fan piłki nożnej zmieniający wspieraną drużynę w zależności od wyników. Obiekty kwantowe są tym czym są, i nie mamy powodu sądzić, że “to czym są” zmienia się w jakiś znaczący sposób w zależności od tego jak na nie patrzymy. Zamiast tego, wszystko co możemy powiedzieć, to to, że to co mierzymy czasami wygląda jak to czego moglibyśmy się spodziewać mierząc maleńkie kuleczki, natomiast w innych eksperymentach wygląda jak zachowanie oczekiwane od fal, takich jak np fale dźwięku w powietrzu lub zmarszczki na wodzie. Więc stwierdzenie “dualność falowo-cząsteczkowa” nie odnosi się właściwie do obiektów kwantowych, ale do interpretacji eksperymentów - które są z naszej ludzkiej perspektywy tym “jak widzimy rzeczy”.
Einstein uwypuklając rozdzielenie między obiektem i pomiarem właściwości obiektu, chce wrócić do rozsądnego spojrzenia, mówiącego, że gdzieś tam na dole jest "TO COŚ", co jest obiektywnie "jakieś". I to tylko nasze pomiary są tak ułomne, że powodują obraz dualizmu.

To bardzo ważne zagadnienie. Czy to co mierzymy (czy to instrumentem, czy zmysłami ) to coś innego niż to coś co w rzeczywistości istnieje. Czym jest to coś co istnieje, skoro pomiary są tak dziwne ?
To pytanie to jedna z sił napędowych dalszych eksperymentów kwantowych, które dały zaskakujące wyniki.
Ostatnio zmieniony 2021-03-29, 09:54 przez Praktyk, łącznie zmieniany 5 razy.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-04-19, 17:03

Rozdział 9
W 1924r. Francuzki fizyk i arystokrata Louis de Broglie zaproponował, że cząstki - wtedy nadal widziane jako małe grudki “czegoś” - mogą wykazywać właściwości falowe. Jego pomysł był, jak wiele innych wtedy, niczym więcej jak przeczuciem. Próbował on uogólnić, lub nawet odwrócić, wcześniejszą argumentację Einsteina o falach świetlnych, które wykazywały zachowania cząsteczkowe gdy manifestowały się jako fotony z dyskretnymi energiami.
Jeśli fale świetlne mogą być podobne do cząstek, to czy obiekty, które dotychczas znaliśmy jako cząsteczki nie mogą być trochę “falowe” ? Takie pytanie de Broglie zadał w swojej tezie doktorskiej.

Propozycja była kontrowersyjna i szeroko odrzucana, dopóki Einstein nie zasugerował po dłuższej refleksji, że właściwie warto to sprawdzić. Powiedział “Brzmi to szalenie, ale jest to w zupełności sensowny pomysł”.
De Broglie nie rozwinął swojego pomysłu w pełną teorię. Ale dostępna była już wtedy dojrzała matematyczna teoria klasycznych fal. Może dałoby się użyć jej do rzekomej falowości cząstek ?

To właśnie zrobił Erwin Schroedinger, profesor fizyki z Zurychu. Po poznaniu tezy de Broglie-a podjął wyzwanie rozpisania cząstek “falowych” używając starych formalizmów. Stworzył wtedy równanie, wg. którego mogły by one się zachowywać. Nie było to równanie zupełnie takie jak np. to do opisu fal wody lub dźwięku. Ale matematycznie było bardzo podobne.

Dlaczego nie było identyczne ? Schrodinger nie wyjaśnił swoich powodów, i teraz wydaje się jasnym, że nie zupełnie je miał. Po prostu napisał taki równanie jakie uważał, że cząsteczka jak np elektron powinna spełniać. To, że strzelił aż tak poprawnie do dzisiaj wydaje się niesamowitym i tajemniczym.
Ujmując to w inny sposób: równanie Schroedingera, które jest częścią rdzenia koncepcyjnego matematycznej maszynerii mechaniki kwantowej, zostało wytworzone dzięki intuicji i wyobraźni. Aczkolwiek połączonym z dobrym wyczuciem tego, z których części fizyki klasycznej skorzystać. Równania Schrodingera nie można udowodnić, a jedynie wywnioskować przez analogię i pewną dawkę instynktu. Co nie znaczy, że równanie jest błędne lub niewiarygodne, pokazuje jedynie, jak nauka zależy od kreatywności a nie tylko zimnego wnioskowania.

Równania falowe określają jaka jest amplituda fali w różnych częściach przestrzeni. Dla fali wodnej amplitudą jest po prostu wysokość powierzchni wody. Dla fali dźwiękowej oznacza jak mocno powietrze jest skompresowane w szczycie fali i jak mocno jest “rozciągnięte”, czy rozrzedzone, w jej “dołku”. Wybierz punkt w przestrzeni i zobaczysz, że amplituda w nim zmienia się w czasie. Raz jest w nim duża, raz mała, potem znowu duża, potem znowu mała, zgodnie z tym jak przemieszcza się fala.

Ale czym jest amplituda fali elektronu ? Schrodinger odgadł, że koresponduje ona z ilością ładunku elektrycznego w danym punkcie przestrzeni, jako, że każdy elektron niesie pojedynczą jednostkę - kwant - ładunku elektrycznego.

Było to coś naturalnego do założenia, ale było niepoprawne. Fala w równaniu Schroedingera nie jest falą gęstości ładunku elektrycznego. Właściwie nie jest falą, która odzwierciedlałaby bezpośrednio jakąkolwiek konkretną właściwość fizyczną. Jest jedynie abstrakcją matematyczną - z tego też powodu nie jest właściwie falą, ale jest nazywana funkcją falową.

Funkcja falowa ma jednak konkretne znaczenie. Niemiecki fizyk Max Born wykazywał, że amplituda funkcji falowej podniesiona do kwadratu ( amplituda x amplituda ) oznacza prawdopodobieństwo znalezienia cząstki. Precyzyjniej mówiąc, z wartości funkcji falowej w jakiejś pozycji x, używając reguły Born-a można obliczyć szansę tego, że znajdziemy cząstkę właśnie w punkcie x, gdy będziemy przeprowadzać eksperyment w celu znalezienia cząstki. Jeszcze inaczej - jeśli amplituda funkcji falowej elektronu w jakimś punkcie wynosi 1 a w innym 2, to powtarzając wielokrotnie eksperyment określający pozycję elektronu znajdziemy go w drugiej pozycji 4 razy częściej niż w pierwszej ( 2 x 2 ).

W jaki sposób Born to wiedział ? Nie wiedział. Znowu. Zgadł… ( jak zwykle bazując na bogactwie fizycznej intuicji ). I tak samo jak z równaniem Schroedingera nadal nie mamy sposobu wyprowadzania reguły Born-a. ( Niektórzy badacze twierdzą, że tego dokonali, ale żadne takie wyprowadzenie nie jest uniwersalnie zaakceptowane ).

Równanie Schrodingera jest więc wyrażeniem użytecznym w celu stwierdzenia jak abstrakcyjny obiekt nazywany funkcją falową jest rozłożony w przestrzeni i jak ewoluuje w czasie.
Oraz - tutaj absolutnie ważna rzecz - ta funkcja falowa zawiera całą informację jaką można potencjalnie wydobyć na temat odpowiadającej równaniu cząsteczce kwantowej.

Gdy już masz funkcję falową cząstki, możesz wydobyć tą informację o niej robiąc “coś” z tą funkcją. Na przykład, możesz podnieść funkcję do kwadratu i wydobyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w jakiejś lokalizacji.
Francuzki fizyk Roland Omnes ubrał to ładnie w słowa gdy nazwał funkcję falową “paliwem maszyny, która wytwarza prawdopodobieństwa”. Generalnie, prawdopodobieństwo zmierzenia jakiejkolwiek konkretnej wartości, obserwowanej w eksperymencie właściwości systemu kwantowego, może być obliczone jako pewna matematyczna manipulacja jej funkcji falowej. Funkcja falowa ma w sobie zakodowaną tą informację a matematyka kwantowa służy do jej wydobycia. Wykonujesz pewną konkretną operację na funkcji falowej by znaleźć pęd cząsteczki (masa x prędkość), inną operację by znaleźć jej energię, itd. Za każdym razem, gdy wykonujesz taką operację, to co dostajesz to nie jest dokładnie pęd, energia, itd, jest to średnia wartość, którą oczekiwałbyś otrzymać z bardzo wielu pomiarów.

Rozwiązanie równania Schrodingera aby otrzymać funkcję falową jest możliwe przy użyciu kartki i długopisu tylko dla najprostszych i najbardziej wyidealizowanych systemów. Ale są sposoby na otrzymanie przybliżonej funkcji falowej dla bardziej złożonych systemów, jak np molekuła z wieloma atomami.
Gdy już masz wystarczająco dobrą funkcję falową, możesz ją wykorzystać do obliczenia wszelkich rodzajów właściwości, np. jak molekuła będzie wibrować, jak będzie absorbować światło, jak będzie oddziaływać z innymi molekułami.

Mechanika kwantowa daje ci matematyczną receptę na wykonywanie tych kalkulacji, i gdy już nauczysz się operować rachunkiem kwantowym to jesteś gotowy do drogi. Matematyka mechaniki kwantowej wygląda raczej strasznie, wykorzystuje liczby urojone, rachunek różniczkowy, i coś co nazywa się operatorami projekcji. Ale jest to nadal jedynie zestaw reguł opisujących to w jaki sposób stany kwantowe dostarczają oczekiwań na temat konkretnych rezultatów gdy wykonujemy na nich pomiar, mechanizm pozwalający sięgać do funkcji falowej i wyciągać wartości, które mają potencjał być obserwowanymi w eksperymentach.

I nie musisz, chyba, że masz do tego skłonność, kiedykolwiek myśleć o tym co to wszystko “znaczy”.
Możesz zamknąć się i liczyć.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-05-03, 23:13

Rozdział 9

Nie ma w tym żadnej szkody. Ale poleganie na funkcjach falowych w ten sposóba, że wszystko co możemy powiedzieć o obiektach kwantowych z nich wynika, ma swoje konsekwencje, które wyglądają raczej dziwnie.

Wyobraź sobie, że wkładasz elektron do pudełka. Zostaje on tam z tego samego powodu, z którego jakikolwiek inny obiekt zostawał by w pudełku. Na drodze ma ściany. Jeśli cząsteczka uderzy w ścianę, odpycha go ona w drugą stronę, tak jak ściana z cegieł gdy przypadkiem w zamyśleniu trafisz na nią. Spróbujmy nie komplikować i załóżmy że siła odbijająca ściany to zawsze wszystko albo nic: elektron nie odczuwa żadnej siły dopóki nie wpadnie na ścianę, a wtedy siła odbicia staje się nieskończenie duża. Nie ma drogi ucieczki.

Coś takiego nazywane jest anodyną. Jest to podstawowy uproszczony model na kursach wprowadzających do mechaniki kwantowej. Nie jest aż tak bardzo arbitralny i sztuczny jak mogłoby się wydawać, gdyż jest to przybliżony sposób opisu sytuacji w jakiej może znaleźć się elektron w ograniczonej przestrzeni, np w atomie lub tranzystorze. Ale w gruncie rzeczy potrzebny nam jest jako minimalistyczny sposób zatrzymania elektronu w miejscu tak, żeby można było rozwiązać dla niego równanie Schredingera, wydedukować wynikającą z niego funkcję falową, i zobaczyć co mówi nam ona o kwantowym zachowaniu.

Oto co mówi nam wtedy matematyka. Amplituda funkcji falowej oscyluje podobnie do struny gitarowej zaczepionej na obu końcach i uderzonej. Ma swoje własne charakterystyczne częstotliwości drgania, uwarunkowane tym, że zestaw węzłów i szczytów fali musi wpasować się do przygotowanego pudełka. Tylko dla pewnych częstotliwości istnieje doskonałe dopasowanie. I ponieważ energia elektronu zależy od tej częstotliwości, z którą jego “falowa” postać oscyluje ( pamiętając o zależnościach odkrytych przez Plancka ), istnieje zestaw możliwych stanów energetycznych jak kolejnych szczebli drabiny. Innymi słowy energia elektronu jest skwantowana jako rezultat zamknięcia go w pudełku i tego, że jest opisany równaniem Schredingera. Elektron może jedynie przeskoczyć z jednego szczebla energetycznego na drugi zyskując lub tracąc odpowiednią ilość energii.

Nie tak zachowywała by się piłeczka tenisowa w pudełku. Jeśli dno było by idealnie płaskie, piłka mogłaby być znaleziona gdziekolwiek w pudełku z jednakowym prawdopodobieństwem. Żadna lokalizacja nie jest bardziej preferowana w stosunku do innej. I piłka może po prostu spoczywać w danej pozycji z zerową energią. Ale elektron nie. Najniższy stan energetyczny ma pewną nieredukowalną ilość energii - elektron zawsze się “porusza”, i w tym stanie energetycznym najbardziej prawdopodobnym jest znalezienie go w samym środku pudełka, prawdopodobieństwo spada im bliżej ścianki się znajdziemy.

Oto jest właśnie kwantowa alternatywa do fizyki klasycznej, opisanej w równaniach wyedukowanych przez Isaaca Newtona w siedemnastym wieku. Jest bardzo abstrakcyjna i trudna do zwizualizowania. Zamiast cząsteczek i ich trajektorii mamy funkcję falową. Zamiast precyzyjnych przewidywań, mamy prawdopodobieństwa. Zamiast zrozumiałych opisów mamy matematykę.



Obrazek
Funkcja falowa i jej korespondujące szczeble energetyczne dla pierwszych trzech stanów kwantowych cząsteczki w pudełku.

Nie wydaje się to wystarczające. Jaka jest wtedy prawdziwa natura elektronu, który opisują te prawdopodobieństwa, tej gładkiej, ciągłej funkcji falowej ?

Może powinniśmy wyobrazić sobie elektron jako kulkę pędzącą po pudełku tak szybko, że nie możemy łatwo zobaczyć gdzie ona jest ? Możemy jedynie stwierdzić, że w jednych miejscach spędza więcej czasu niż w innych. Przy takim spojrzeniu, elektrony zamknięte w przestrzeni - powiedzmy dookoła jądra atomowego - są jak chmara pszczół, widzianych tak, że nie da się ich rozróżnić jak przelatują dookoła ula. W każdym momencie każda pszczoła jest “gdzieś”, ale tylko poprzez wykonanie pomiaru możesz stwierdzić gdzie.

To nie jest właściwy sposób myślenia o funkcji falowej - bo ona nie mówi niczego o tym gdzie elektron “jest”. Ale zaraz... przecież wcześniej powiedziałem Ci, że funkcja falowa mówi wszystko co da się wiedzieć/powiedzieć o elektronie. Jeśli tak, to musimy zaakceptować, że tak daleko jak sięga fizyka kwantowa ( i przez to cała obecna nauka ) , po prostu nie ma “miejsca, gdzie jest elektron”.

OK, zaakceptujmy więc, że elektron nie ma lokalizacji. Nie jest to w końcu mała twarda cząsteczka, ale jest “rozsmarowana”, coś w rodzaju niedopranej plamy ładunku elektrycznego w tkaninie przestrzeni. Czy ten obraz spełni swoje zadanie ? Czy możemy myśleć o funkcji falowej jako o opisie cząstki, która jest w każdym momencie zdelokalizowana w przestrzeni ?

Nie, ten obraz też się nie nada. A to dlatego, że gdy dokonujemy pomiaru, znajdujemy podobną do punktu cząstkę w lokalizacji, która jest zdefiniowana.

Oba te obrazy - cząstka rozmyta przez bardzo gwałtowne ruchy lub rozsmarowana w przestrzeni w każdym momencie, świadczą o naszej determinacji by znaleźć jakiś sposób zobrazowania tego o co chodzi w funkcji falowej. To zupełnie naturalne, ale nie powoduje, że obrazy są poprawne.

Probabilistyczna interpretacja Borna ujawnia dlaczego mechanika kwantowa jest tak dziwna w porównaniu z innymi teoriami naukowymi. Zdaje się wskazywać w złym kierunku, nie w dół do systemu, który badamy, ale w górę w kierunku naszego doświadczenia tego systemu. W ten też sposób możemy wyrazić powód dlaczego nie możemy użyć funkcji falowej elektronu do wydedukowania niczego na temat tego jaki elektron “jest” albo “co robi”.

Funkcja falowa nie jest opisem bytu, który zwiemy elektronem. Jest receptą na to czego oczekiwać gdy dokonamy pomiaru na tym bycie.

Nie wszyscy fizycy kwantowi zgodziliby się z tym; jak zobaczymy, niektórzy wierzą, że funkcja falowa odpowiada bezpośrednio jakiejś głębszej fizycznej rzeczywistości. Ale co ta wiara pociąga za sobą jest bardzo subtelne i zdecydowanie nie udowodnione.
Patrzenie na funkcję falową po prostu jako na matematyczne narzędzie do wykonywania przewidywań o pomiarach jest dobrą wyjściową pozycją, przynajmniej z tego powodu, że może uchronić nas przed błędem wymyślenia obrazów klasycznych fal czy cząsteczek przy próbach zwizualizowania świata kwantowego. I to, w każdym razie jest tym co myśleli Niels Bohr i Werner Heisenberg. Heisenberg określił to tak:

“Prawa natury sformułowane matematycznie w teorii kwantowej nie dotyczą już cząstek elementarnych, tylko naszej wiedzy o nich”.

Zgodnie z powyższym, funkcja falowa nie mówi nam jakie jest prawdopodobieństwo tego, że elektron będzie w jakimś konkretnym miejscu w danej chwili, co możemy zweryfikować pomiarowo. Funkcja falowa nie mówi nam niczego o elektronie zanim nie dokonamy pomiaru. Nie możemy powiedzieć jak elektron “wygląda” zanim zostanie zmierzony. Nie jest on ani rozsmarowany ani nie pędzi tak, że nie możemy go dostrzec. Nie powinniśmy właściwie w ogóle mówić o elektronie poza kontekstem pomiaru, który na nim dokonujemy.


Jak zobaczymy, taki rygor lingwistyczny jest niemożliwym do utrzymania w praktyce. Ostatecznie jesteśmy zmuszeni, do mówienia o elektronie, który istnieje zanim na niego spojrzymy. Jest to OK, tak długo jak dostrzegamy, że robimy wtedy założenia będące poza mechaniką kwantową.
Dodano po 24 sekundach:
Reasumując.
Mamy nowe narzędzia matematyczne, które świetnie przewidują wyniki eksperymentów. Kiedyś mieliśmy droga = czas * prędkość. Więc mogliśmy przewidzieć gdzie będzie samochód za 5 minut znając jego prędkość.
Teraz mamy potworka matematycznego, którego nie da się zrozumieć bez lat nauki i pewnych wrodzonych zdolności.
Ale działa podobnie. Mamy jakiś stan początkowy, liczymy liczymy i wychodzi nam co zobaczymy jak sprawdzimy za 5 minut.
Z tym, że nie mówi tak na 100% ale z pewnym prawdopodobieństwem.

Jest to narzędzie bardzo skuteczne, wielokrotnie pokazane, że przewiduje poprawnie. Oprócz tego ma tą właściwość, że ujmuje w sobie, wszystko co da się o danym mierzonym obiekcie zmierzyć.

I co to narzędzie przewiduje ? Takie rzeczy, które się w rozumie nie mieszczą.
Powyższy rozdział opisuje to na przykładzie elektronu zamkniętego w pudełku.
Jeśli elektron jest taką piłeczką pingpongową odbijającą się w prawo i w lewo, to gdy 100 tys razy otworzymy pudełko okaże się że znajdujemy elektron w miarę równomiernie wszędzie gdzie lata.
Ale tak nie jest, okazuje się, że elektron znajdujemy w takich miejscach, które przeczą temu, że jest piłeczką. Bo im szybciej lata, tym więcej jest takich punktów na jego drodze, gdzie znajdujemy go bardzo często, ale też takich gdzie nie ma go nigdy.

Może jest więc falą ? No nie, bo jak go zmierzymy to jest w jednym miejscy. ( Jak jest opisane powyżej )


I teraz co jest ciekawe w powyższym rozdziale. To w jaki sposób naukowcy wycofują się nagle od zadania fizyki jako "opisu rzeczywistości" do opisu naszej wiedzy o rzeczywistości.
Dla porównania z jadącym samochodem można by powiedzieć, że mówią coś takiego :
"OK, samochód był 5 minut temu w Warszawie, teraz jest w Markach, i jego ruch opisuje nasze równanie. Ale nie możemy niczego powiedzieć o tym czym jest samochód i co robił przez ostatnie 5 minut, możemy jedynie powiedzieć, że nasza wiedza jest taka, że był tam a teraz tu"
No i mamy odpowiednie równanie, które przewiduje ten wynik s=vt , ale nie oznacza to, że możemy wnioskować o kolejnych etapach życia samochodu od punktu A do B, tylko o momentach pomiarów.

O ile dla samochodu jest to absurdalne, bo wiemy, że jechał i dojechał. ( wiemy, że spełniał nasze równanie, założyliśmy to od początku ), o tyle już dla elektronów jest to rzeczywisty problem.
Żadne zdroworozsądkowe wyobrażenie "istoty elektronu" nie jest zgodne z tym co dają wyniki pomiarów i obliczenia z tej nowej matematyki.

Więc naukowcy postulują, żeby oddzielić ( a przynajmniej na tym etapie książki ) obiekt od tego co o obiekcie wiemy.
Patrzymy na jabłko, i jedyne co możemy powiedzieć to że widzimy jabłko, nie że to jabłko tam jest... :)

A czy jest i czym jest... i jak się z tym naukowe rozumy zmagają. Dalej w książce.
Ostatnio zmieniony 2021-05-03, 23:31 przez Praktyk, łącznie zmieniany 1 raz.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-05-17, 22:29

Rozdział 11
Wyobrażenie sobie elektronu jako “falującej cząstki” zamkniętej w małym pudełku jest średnio skutecznym sposobem myślenia o tym jak skonstruowane są atomy. Jednym z pierwszych sukcesów teorii kwantowej był model atomu zaproponowany przez Bohra w 1913. Był on adaptacją wcześniejszego obrazu zaproponowanego przez Nowozelandczyka Ernesta Rutherforda, w którym wyobrażał on sobie elementy budujące materię jako niezmiernie gęste i pozytywnie naładowane centralne jądra otoczone przez negatywnie naładowane elektrony. Rutherford oraz inni doprowadzili to do postaci “modelu planetarnego”, w którym elektrony okrążają jądro po orbitach jak planety słońce. Są one utrzymywane nie przez ściany, ale przez siłę przyciągania elektrycznego jądra atomu.

Model planetarny miał jednak poważny mankament. Było wiadomym, że naładowane cząstki poruszając się po okręgach powinny emitować energię w postaci fal elektromagnetycznych - czyli, np światła. Znaczy to, że elektron powinien stopniowo stracić swoją energię i spiralnie spaść do jądra. Atomy powinny się gwałtownie zapadać.

Bazując na hipotezie kwantowości Maxa Plancka, w której energia miała być raczej ziarnista niż gładka, Bohr zaproponował, że elektrony w atomie mają skwantowaną energię, tak by nie mogły stopniowo jej oddawać. Muszą wtedy pozostawać na ustalonej orbicie, dopóki nie zostaną wykopane na inną, o innej dozwolonej energii poprzez zaabsorbowanie lub wyemitowanie kwantu światła o odpowiedniej ilości energii. Bohr twierdził, że każda orbita ma określoną pojemność na przyjmowanie elektronów. Jeśli więc wszystkie orbity o niższych energiach niż ta danego elektronu są już zajęte, nie ma sposobu na to by elektron stracił jakąkolwiek energię i przeskoczył niżej.

Był to obraz zupełnie doraźny, ad hoc. Bohr nie mógł zaoferować żadnego usprawiedliwienia, dlaczego orbity miałyby być skwantowane. Ale nie twierdził on też, że tak właśnie w rzeczywistości wyglądają atomy. Mówił jedynie, że taki model mógłby wyjaśnić obserwowaną stabilność atomów. A co więcej, mógłby wyjaśnić, dlaczego atomy absorbują i emitują promieniowanie jedynie na określonych częstotliwościach.

Falowy obraz elektronów Louisa de Broglie-a zaoferował później jakościowe wyjaśnienie dlaczego atom Bohra miał właśnie takie właściwości a nie inne. Elektrony zamknięte w poszczególnych orbitach wokół jądra musiałyby mieć określone długości fali, i przez to częstotliwości i energie, takie by całkowita ilość oscylacji pasowała do długości orbity dookoła jądra, tworząc “fale stojące” trochę w rodzaju tych, które powstają, gdy przywiążemy linę za jeden koniec do drzewa i potrząsamy drugim końcem ( poza tym, że nie jesteśmy w stanie powiedzieć z czego te fale są zrobione).

Znając naturę siły elektrycznej przyciągającej elektron do jądra atomowego, można napisać równanie Schredingera dla elektronów atomu i rozwiązać je by określić trójwymiarowy kształt ich funkcji falowych, a przez to prawdopodobieństwo znalezienia elektronów na każdej z lokalizacji w przestrzeni. Okazuje się, że wynikowe funkcje falowe nie odpowiadają elektronom obiegającym jądro jak planety. Mają za to znacznie bardziej skomplikowane kształty zwane orbitalami. Niektóre orbitale są rozproszonymi sferami, trochę w kształcie koncentrycznej muszli. Inne mają bardziej złożone kształty podobne do hantla lub donata. Kształty te mogą wyjaśniać geometrię, według której atomy łączą się razem w molekuły.

Niewiele w tym rozdziale możliwości zaczepienia się z tematami filozoficznymi więc dorzucę galerię pokazującą jak ciekawie wyglądają w rzeczywistości te obszary w których znajduje się elektrony o poszczególnych energiach - orbitale. Należy jednak pamiętać nadal, że gdy dokonuje się pomiaru pozycji elektronu jest on kulką w jednym konkretnym miejscu. Tylko, że to miejsce dla elektronu o danej energii jest gdzieś w odpowiednim dla niego konkretnym bąbelku ( takim jak poniżej ), a jak elektron zwiększy lub zmniejszy energię to znajdziemy go w innym bąbelku ( w uproszczeniu ).

Obrazek


Rozdział 12

Siła przyciągania, która trzyma elektrony w sąsiedztwie jądra nie jest nieskończona, inaczej niż siła odbijania ścian naszego hipotetycznego pojemnika do trzymania elektronów. W ten sposób elektrony mogą być odciągnięte od atomów, tak jak często dzieje się w procesach chemicznych. Przemieszczanie się elektronów w ten sposób i ich redystrybucja w nowe wzory przestrzenne leży u podstaw chemii.

Co jeśli siła odbijająca ścian naszego pudełka na elektrony również nie byłaby nieskończona ? Wtedy staje się coś dziwnego. Okazuje się, że funkcja falowa elektronu w pudełku może penetrować w głąb ścian. Jeśli ściany nie są zbyt grube funkcja falowa może właściwie przeniknąć przez nie, tak że ma niezerową wartość poza pudełkiem.

Mówi nam to tyle, że jest mała szansa, zależna od amplitudy funkcji falowej, że jeśli zmierzymy gdzie jest elektron to znajdziemy go w ścianie lub nawet poza pudełkiem. Elektron może wyskoczyć poza pudełko, tak jakby przeniknął przez ścianę. Co jest w tym dziwnego , to to, że według fizyki klasycznej, ten sam elektron nie ma wystarczająco energii, aby przeskoczyć przez ścianę, czy też zrobić w niej dziurę. Klasycznie powinien pozostać w pudełku na zawsze. Natomiast mechanika kwantowa mówi nam, że jeśli poczekamy wystarczająco długo, lub będziemy mierzyć wystarczająco często, w końcu elektron pojawi się poza pudełkiem.

Ten fenomen nazywany jest efektem tunelowym. Elektron ( lub jakakolwiek inna cząstka kwantowa w sytuacji zamknięcia) ma możliwość “przetunelowania” się poza pudełko, nawet jeśli z perspektywy klasycznej brakuje jej do tego energii.

Efekt tunelowy jest rzeczywistym zjawiskiem, został szeroko zaobserwowany, np tam gdzie molekuły wymieniają między sobą elektrony. Istnieją techniki eksperymentalne oraz używane na codzień urządzenia, które na nim bazują.
Skanujący mikroskop tunelujący to instrument, który używa tunelowania elektronów pomiędzy próbką, oraz bardzo cienką, naładowaną elektrycznie igłą, trzymaną zaraz nad jej powierzchnią, do produkcji obrazów materiałów o rozdzielczości atomu. Z powodu wielkości efektu tunelowego, oraz ilości prądu elektrycznego przepływającego pomiędzy igłą i próbką, jest on bardzo wrażliwy na zmiany dystansu pomiędzy nimi. Instrument ten może wykryć nierówności na powierzchni materiału o grubości jednego atomu.

Karty pamięci w technologii flash w elektronice użytkowej również używają efektu tunelowego w cienkich warstwach izolatorów. Napięcie elektryczne jest używane do kontroli ilości tunelowanych elektronów, tak by informacja zakodowana w urządzeniu mogła być odczytywana i zapisywana w komórkach pamięci.

Jak powinniśmy myśleć o efekcie tunelowym ? Jest on często przedstawiany jako kolejny z tych “dziwnych” efektów kwantowych. Rodzaj magicznego aktu znikania i pojawiania się w innym miejscu. Ale ostatecznie nie jest aż tak trudnym użyć tu intuicji i przynajmniej spróbować przyjąć jakieś wyobrażenie.

Więc tak, cząsteczki kwantowe potrafią przenikać przez ściany… czemu właściwie by nie ? Taki trik nie jest możliwy w przypadku fizyki klasycznej, ale jest przynajmniej wyobrażalny, jeśli nie przejmujemy się zbytnio tym jak został osiągnięty. Nie znaczy to jednak, że powinniśmy wyobrażać sobie elektron przewiercający się jakoś przez barierę.
Możemy przewidzieć, używając równania Schredingera, co zmierzymy obserwując efekt tunelowy, ale nie możemy powiązać tego z nasuwającym się obrazem elektronu “robiącego” cokolwiek. Lepiej jest widzieć ten efekt jako manifestację losowości która umiejscowiona jest w samym sercu mechaniki kwantowej. Funkcja falowa mówi nam gdzie możemy potencjalnie znaleźć elektron kiedy szukamy, ale to co znajdujemy w danym eksperymencie jest losowe, i nie możemy w żaden znaczący sposób powiedzieć dlaczego znajdujemy elektron tu a nie tam.
Pierwsza z ważniejszych informacji tutaj:
te dziwaczne zjawiska kwantowe to nie tylko abstrakcja matematyczna, masz je wykorzystane np w karcie pamięci w aparacie fotograficznym.


Druga kwestia to kolejna nieudana próba wyobrażenia sobie tego co się dzieje. Tym razem w efekcie tunelowym.
Przekładając go na skalę makro mielibyśmy taką sytuację:
piłka do tenisa odbija się w jakimś potrząsanym pudełku, nie patrzymy na nią.
Gdy spojrzymy miliard razy - jest w pudełku.
Gdy spojrzymy miliard i jeden raz - nagle jeden raz pojawiła się poza pudełkiem... A pudełko całe, nienaruszone.

Nie było by problemu, gdyby piłka była falą radiową, niech sobie przenika przez co chce, ale nie... uparcie jak ją zmierzymy to jest piłką.

I znowu pan Ball sugeruje, żeby lepiej nie podejmować prób wyobrażenia sobie tego co "robi" elektron przed pomiarem, bo można dostać rozdwojenia jaźni :).
Sugeruje, żeby może jednak zaakceptować, że najgłębszą naturą naszego świata jest to, że gdy obserwujemy sobie jakieś zjawiska to pojawiają się one na naszych oczach losowo, znikąd. Ale według jakiś schematów, które pasują z grubsza do zaawansowanych wzorów matematycznych, które mamy.

Mi ciężko się z tym pogodzić, na szczęście autorowi też. Trzeba czytać dalej :)
Ostatnio zmieniony 2021-05-17, 22:51 przez Praktyk, łącznie zmieniany 1 raz.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-07-12, 12:38

Rozdział 13
Ale nie oczekuję, że poddasz się tak łatwo. Możesz powiedzieć: dobrze więc, akceptuję, że funkcja falowa jest niczym więcej niż formalnym narzędziem do przewidywania prawdopodobnych wyników pomiarów. Pozostaje wtedy jednak pytanie - co się dzieje tam pod spodem, co produkuje takie wyniki ?

Prawdopodobnie najbardziej fundamentalnym problemem w fizyce kwantowej jest właśnie to, czy podział wspomniany powyżej ma znaczenie. Czy istnieje jakiś “element rzeczywistości”, który reprezentuje funkcja falowa, czy nie. Czy jest to jedynie sposób zakodowania dostępnej wiedzy o systemie kwantowym, czy nie.

Niektórzy fizycy twierdzą, że funkcja falowa jest czymś “rzeczywistym”. Co to precyzyjnie znaczy jest jednak często źle interpretowane. Funkcja falowa elektronu oczywiście nie jest jakąś materialną substancją, czy właściwością, tak jak nie jest np. równanie opisujące gęstość powietrza. Po pierwsze zawiera ona liczby urojone, czyli zawierające pierwiastek kwadratowy z “-1”, które nie mają żadnego fizycznego znaczenia.

Ale kiedy naukowcy twierdzą, że funkcja falowa jest “rzeczywista”, mają na myśli to, że istnieje unikalna relacja 1 do 1 pomiędzy matematyczną funkcją falową i głębszą rzeczywistością, którą opisuje.

Ale chwileczkę! Czy nie poddałem wcześniej w wątpliwość idei, że możemy w ogóle mówić o “głębszej rzeczywistości” ? Tak, poddałem, i dlatego wszystkie sugestie, że funkcja falowa “jest rzeczywista” są wysnute tylko z założenia, że jakiś głębszy obraz jednak istnieje. A w nim cząstki mają konkretne, obiektywne właściwości niezależnie od tego czy je zmierzymy ( czy nawet możemy zmierzyć ).

Takie spojrzenie przyjęto nazywać “realizmem”. Nie ma powodu, żeby uważać je za właściwy sposób myślenia o świecie, i spora ilość dowodów na to, że nie jest. Jednak część naukowców nadal czuje, że gdzieś tam na samym dole realizm - obiektywny świat “gdzieś tam” - jest ostatecznie jedyną opcją jaka ma sens.

Koncept “rzeczywistej funkcji falowej” wymaga tego, żeby matematyczna funkcja falowa mogła być bezpośrednio i unikalnie przypisana do obiektywnej rzeczywistości: żeby wskazywała na prawdziwe i unikalne“coś” ( może zgodne z naszym wyobrażeniem połyskujące kulki), nie tylko na nasz niedoskonały stan wiedzy. Niektóre eksperymenty zasugerowały, że jeśli realistyczne spojrzenie jest właściwe, to funkcja falowa musi w jakiś sposób również być “prawdziwa”.

Taki obraz mechaniki kwantowej nazywany jest “ontycznym”, od “ontologii”, czyli badania natury rzeczy, które istnieją ( teorii bytu ).

Spojrzeniem alternatywnym jest powiedzenie, że funkcja falowa jest “epistemiczna” jak dowodził Heisenberg, czyli, że odnosi się jedynie do naszego stanu wiedzy o systemie, nie do jego fundamentalnej natury ( jeśli taki koncept ma jakieś znaczenie ). W drugim spojrzeniu, jeśli funkcja falowa zmienia się z powodu czegoś co zrobimy systemowi kwantowemu, nie implikuje to tego że sam system się zmienił, jedynie, że nasza wiedza o nim się zmieniła.

Właściwie nawet sformułowanie Heisenberga nie idzie wystarczająco daleko, ponieważ odnoszenie się do “stanu wiedzy” wydaje się implikować, że istnieje jakiś bazowy fakt, do którego mamy nie doskonały dostęp. Lepiej byłoby powiedzieć: w spojrzeniu epistemicznym funkcja falowa mówi nam jakie oczekiwania możemy mieć co do wyników obserwacji i pomiarów.

Rozróżnienie między spojrzeniem ontycznym i epistemicznym to główny podział interpretacji mechaniki kwantowej. To jest moment, w którym trzeba wyłożyć karty na stół. Czy funkcja falowa wyraża granice tego co można wiedzieć na temat rzeczywistości, czy jest może jedyną znaczącą definicją rzeczywistości w ogóle ?

Definiowanie rzeczywistości jest niezmiernie subtelnym problemem filozoficznym. Ale jeśli zaakceptujemy spojrzenie niektórych fizyków, w którym rzeczywistość zaczyna się razem z funkcją falową, wtedy już nigdy nie możemy podać powodu, dla którego gdy dokonujemy pomiaru dostajemy taki wynik a nie inny. To by spowodowało, że mechanika kwantowa stała by się jak żadna idea naukowa w historii. Jak ujął to fizyk Anton Zeilinger - teoria ta może ujawnić “fundamentalne granice nowoczesnego programu naukowego opisania świata w najmniejszych detalach”.

Taka możliwość wydawała się Einsteinowi być “doniośle nienaukową ideą”, ponieważ oznaczała zrezygnowanie nie tylko z kompletnego opisu rzeczywistości, ale również pojęcia przyczynowości. Rzeczy dzieją się, ale możemy powiedzieć jedynie jak prawdopodobnym jest to, że się staną, a nie dlaczego się stały lub nawet kiedy się stały.


Weźmy np rozpad radioaktywny. Niektóre atomy radioaktywne będą się rozpadać emitując elektron z wnętrza jądra: ten elektron jest z powodów historycznych nazywany cząsteczką beta, ale jest to taki najzwyklejszy elektron. Jądro atomowe nie zawiera właściwie żadnych elektronów - widzieliśmy, że one orbitują wokół jądra. Ale zawiera cząstki zwane neutronami, które mogą spontanicznie rozpaść się na elektron, który zostaje wypluty, oraz proton, który zostaje w jądrze. Rozpad Beta węgla-14, jednej z naturalnych postaci atomów węgla, jest procesem używanym w datowaniu radiowęglowym, i przemienia atom węgla w atom azotu.

Rozpad Beta jest procesem kwantowym, więc prawdopodobieństwo rozpadu neutronu jest opisane funkcją falową. ( jest to właściwie rodzaj tunelowania kwantowego, w którym elektron tuneluje się na zewnątrz neutronu, gdzie w innym wypadku zostałby uwięziony przez siłę elektryczną ). Wszystko co może powiedzieć funkcja falowa to to, że rozpad nastąpi, nie kiedy nastąpi. Weźmy jakiś konkretny atom węgla-14, jego rozpad może nastąpić jutro, albo za tysiąc lat. I nie ma nic, powtarzam NIC, co można zrobić by określić kiedy faktycznie on nastąpi. I tak dla wszystkich atomów węgla-14.

Ale gdy już znasz prawdopodobieństwo rozpadu Beta, możesz oszacować kiedy, z próbki powiedzmy miliarda atomów, dokładnie połowa ulegnie rozpadowi. Jest to już kwestia uśredniania. Z tego samego powodu, jeśli z powodu jakiegoś dziwnego zbiegu okoliczności jesteś na szkole rodzenia z dziesięcioma innymi matkami o tym samym przewidywanym terminie porodu, nie możesz być pewny kiedy dokładnie którekolwiek z dzieci się urodzi, ale możesz określić dość dobrą estymatę tego kiedy połowa z nich będzie już urodzona. Im większa próbka, tym lepsza estymata. Dla radioaktywności, ten czas, w którym połowa ulega rozpadowi zależy od szczegółowej specyfiki danego typu jądra, i jest nazywany czasem połowicznego rozpadu.

Dla węgla-14 połowiczny rozpad trwa 5730 lat, co jest idealną wartością do określania wieku obiektów uzyskanych z organizmów żyjących z ostatnich stuleci czy tysiącleci.

Co odróżnia sytuację rozpadu kwantowego od klasycznej analogii narodzin? Mamy wszelkie prawo sądzić, że jeśli monitorowali byśmy każdą ciężarną kobietę wystarczająco dokładnie, moglibyśmy zrozumieć, dlaczego poszczególne akcje porodowe zaczęły się dokładnie wtedy kiedy zaczęły, np został osiągnięty jakiś poziom hormonu. Ale dla rozpadu radioaktywnego nie ma nic co można by monitorować by wyjaśnić dlaczego poszczególny atom rozpadł się wtedy kiedy się rozpadł. Nie ma niczego co można by nazwać powodem.

Dobrze, więc trudno jest zajrzeć do jądra atomowego. Ale to nie jest sedno problemu. Jest nim to, że dla procesu kwantowego, po prostu nie możemy mówić o historycznym następstwie wydarzeń, które doprowadziły do danego wyniku. Nie istnieje historia mówiąca “jak do tego doszło”.

Ale, i to jest również kłopotliwe w mechanice kwantowej, często wydaje się, jakby dało się opowiedzieć w pełni sensowną, odpowiednią, przekonywującą historię tego typu. Możesz “wystrzelić” foton z lasera w jakimś momencie w czasie i potem w jakimś późniejszym momencie masz duże prawdopodobieństwo wykrycia go w innej pozycji, zupełnie jakby sobie przeleciał po linii prostej od lasera do ciebie z prędkością światła. Wygląda to tak, jakby “powodem” tego, że wykrywasz go w punkcie B jest to, że “wyleciał” z punktu A i doleciał do B po najkrótszej drodze.

Co jest złego z tą czystą historyjką przyczyny i skutku ? Czasem naprawdę nie ma z tym żadnego problemu. Ale musimy pamiętać ciągle o tym, że opowiadana historia jest “tak jakby”, gdyż w niektórych sytuacjach narracja zupełnie się rozpada.


Wróćmy na chwilę do tego co zostało powiedziane przed opisem rozpadu Beta. Bo to bardzo ważne by dostrzec do jak poważnych problemów dokopali się fizycy. Nie problemów trudnych technicznie, trudnych matematycznie, do problemów, które ocierają się o granice poznania.

Powtórzmy kilka ważnych myśli :

“Czy funkcja falowa wyraża granice tego co można wiedzieć na temat rzeczywistości, czy jest może jedyną znaczącą definicją rzeczywistości w ogóle ?”

“Takie spojrzenie przyjęto nazywać “realizmem”. Nie ma powodu, żeby uważać je za właściwy sposób myślenia o świecie, i spora ilość dowodów na to, że nie jest.”

“Anton Zeilinger - teoria ta może ujawnić “fundamentalne granice nowoczesnego programu naukowego opisania świata w najmniejszych detalach”. “


Jak naukowcy dobrnęli do tych wniosków Ball opisuje w książce w każdą możliwą stronę, więc nie powtarzajmy. Spróbujmy wyciągnąć trochę wniosków z różnych możliwych odpowiedzi na powyższe pytania.

Jakie mamy opcje ?

1) Istnieje jakaś głębsza “fizyczna” rzeczywistość, możliwa do opisania matematycznie/fizycznie, którą gdy obserwujemy to generuje jakoś “bodźce/informacje/wyniki pomiarów” spójne z matematyką funkcji falowych.

2) Istnieje jakaś głębsza rzeczywistość, jak w opcji powyższej, generująca podobnie wyniki, ale nie można jej opisać zasadami fizycznymi/matematycznymi, jest poza naszym “naukowym” zasięgiem.

3) Pod funkcją falową nic więcej nie ma, żadnej głębszej rzeczywistości. Tkanką rzeczywistości są bodźce/informacje, które obserwujemy, i z jakiegoś powodu zachowują się one właśnie wg takiej matematyki jaką znamy.


Więcej nie ma. ( Jeśli ktoś widzi więcej to niech się wypowie, pogadajmy :) )

Można się zastanowić. Czym to się różni od sytuacji fizyka czy filozofa z wieków wcześniejszych. Miał on też jakieś kawałki matematyki przewidujące co się stanie z “istnieniem” jeśli coś zrobimy. Ale zawsze można było mieć jakieś bazowe pojęcie stanowiące “towar” którym operujemy ( materia, energia, przestrzeń, czas ). Teraz fizyk dostał narzędzie matematyczne, które okazuje się notorycznie generować prawidłowe przewidywania na temat wszystkich możliwych eksperymentów. Na podstawie przewidywań tego narzędzia tworzone są kolejne eksperymenty, o których inaczej nikt by nie pomyślał i eksperymenty znowu okazują się zgadzać z matematyką.
Ale ta matematyka jednocześnie powoduje, że znika spod spodu “towar”. Znika w ten sposób, że nie odpowiada już wyobrażeniu niczego co moglibyśmy określić “rzeczywistym”. Rzeczywistym czyli takim, które ma określone miejsce i czas w przestrzeni, określone na stałe cechy.


Przechodząc teraz na chwilę na płaszczyznę wiary :
Gdzie my w tym jesteśmy ?
Bóg jest w wersji 2. Istnieje coś pod spodem ale niedostępnego dla nauki. Może być wszystkim, również absolutem. Mamy tu więc KK, każdy inny teizm, ale też każdą duchowość zakładającą, że umysł człowieka nie jest stwórcą świata, tylko istnieją jakieś siły “wyższe”.

W opcję 3 wpisują nam się pewne bardziej egzotyczne podejścia. Po pierwsze solipsyzm - czyli wiara w to, że tym co istnieje jest jeden wielki świadomy rozum. I my jesteśmy jego częścią i nic więcej nie ma. Wtedy tkanką tego co ten rozum ( my ) obserwujemy są nasze własne myśli i wyobrażenia. To co obserwujemy zachowuje się zgodnie z naszym rozumem, bo sami to stworzyliśmy. Pod naszymi wyobrażeniami nic więcej nie ma, działają one tylko wg naszych zasad.

Innym egzotycznym duchowym rozwiązaniem opcji 3 jest stwierdzenie, że jedyne co istnieje to matematyka, nie ma ducha. Nic pod spodem funkcji falowej nie ma, ale nie ma też świadomości/rozumności obserwującej to co ta matematyka wyprawia. To taka pseudo religia, którą reprezentuje np. Max Tegmark. Dochodzi ona do takich paradoksów jak powiedzenie, że wszystkie możliwe opcje rzeczywistości istnieją, i że w każdym momencie rzeczywistość rozdziela się na nieskończenie wiele innych opcji. Czyli dla przykładu siedzę teraz i piszę sobie tekst. Ale równolegle w trakcie pisania tego tekstu nieskończoną ilość razy popełniłem samobójstwo, jadłem lody, wygrałem w totka i wyrósł mi kaktus na głowie.


Opcja 1 to ta, o której marzą ateiści. Czyli, że znajdujemy coś głębszego, dającego możliwość pojęcia rozumowego, opisania matematycznego i najlepiej udowodnienia, że Boga nie ma. Załóżmy więc, że historia tak właśnie się rozwija. Naukowcy przypadkowo natrafiają na wynik eksperymentu wywracający fizykę kwantową do góry nogami - coś spoza niej ( jak ten przypadek pieca Plancka ). I co robią… no to co robią naukowcy - opisują wynik tego eksperymentu nową teorią matematyczną. Teoria matematyczna znowu jest super i przewiduje wszystkie wyniki eksperymentów. I co dalej ? To samo co teraz. Znowu wracamy do naszych trzech opcji.

Opcja 1 ma więc taki pierwszy mankament, że nie da się na niej skończyć, zawsze wraca się do punktu wyjścia. Oprócz tego mankamentem jej jest to, że sami naukowcy ( jak wspomniany Anton Zeilinger ) twierdzą, że mechanika kwantowa to jednak koniec. Że już w opcję 1 nie wejdziemy, i to nie z racji braku lepszych metod pomiarowych, tylko z racji cech zaszytych w samej mechanice kwantowej.

Jeśli ktoś z czytających jest w stanie wyobrazić sobie jak mogłaby wyglądać opcja 1 w ten sposób, żeby zakończyła dyskusję to też chętnie porozmawiam.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

Awatar użytkownika
Praktyk
Biegły forumowicz
Biegły forumowicz
Posty: 1950
Rejestracja: 28 lis 2017
Has thanked: 410 times
Been thanked: 427 times

Re: Poza Dziwnością

Post autor: Praktyk » 2021-08-31, 17:10

Rozdział 14

CZĄSTECZKI KWANTOWE NIE SĄ W DWÓCH STANACH NA RAZ ( ale czasami równie dobrze mogą być )


Pytanie, które pojawia się teraz przed nami może wydawać się trochę pedantyczne, ale naprawdę nie da się przed nim uciec.

Co rozumiemy przez “BYĆ” ?

Czy elektron”JEST” cząsteczką czy falą ? Może on w różnych okolicznościach ujawniać charakterystyki jednego, drugiego lub nawet po trochu każdego z nich. Ale w kontekście tego czym elektron “JEST”, możemy mówić jedynie o tym co możemy zobaczyć czy zmierzyć, nie o tym co powoduje te obserwacje. Musimy powiedzieć, że dualność cząstka-fala nie jest własnością obiektów, ale zachowaniem pojawiającym się w naszym ich opisie. Obiekty nie mają rozdwojenia jaźni.

To samo dotyczy budzącego częste zainteresowanie opisu, w którym cząsteczki mogą być w dwóch miejscach na raz, czy może ogólniej, w dwóch stanach na raz. To również nie jest całkowicie prawda, ale znowu nie posunął bym się aż tak daleko, by stwierdzić, że to stwierdzenie jest błędne. Jesteśmy zawieszeni w języku. Z ludzkiej perspektywy wygląda to rzeczywiście tak, jakby kwantowe obiekty mogły posiadać dwie różne, a nawet sprzeczne ze sobą, wartości jakiejś własności na raz. Może ludzka perspektywa nie jest tą właściwą do zrozumienia obiektów kwantowych? Niemniej, to jedyna jaką mamy.

Nie załamujmy się więc. Może nie mamy właściwych kognitywnych czy lingwistycznych narzędzi, ale przynajmniej wiemy bardziej precyzyjnie niż Einstein i Bohr mogli, czego nam brakuje.

Ale co to właściwie za straszne słowo “Stan”: zimne i formalne, a równocześnie niejasne i zwodniczo prozaiczne. Wydajemy się być zmuszeni do używania go bez rozumienia o czym właściwie mówimy. W nauce “stan” obiektu zwykle ma trywialne znaczenie, odnosi się do wybranych lub wszystkich własności obiektu. Mój stan w tym momencie jest raczej przegrzany ( w końcu mamy lato ) i mam ochotę na filiżankę herbaty. Stan mojego biurka może być trochę precyzyjniej opisany. Jest poza innymi aspektami względnie twarde, z temperaturą około 20st. C , wykonane ze sztucznego drewna w kolorze brązowym. Stan mówi nam więc co nieco o tym “jakie rzeczy są”.

Poprzez stan cząsteczki rozumiemy zbiór właściwości, które w jakimś sensie etykietują ją dla nas. ( Zdaję sobię sprawę z niejasności tego stwierdzenia. “W jakimś sensie” i “dla nas” też wprowadzają pewne niedopowiedzenia ). Przykładowo: Ten atom to nie Tamten atom, ponieważ jest Tutaj, a nie Tam, ale też ponieważ przemieszcza się z Tą prędkością i jego elektrony mają Te konkretne energie… itd.

Klasyczna idea stanu ma w sobie właściwość pewnej wykluczalności. Obiekty makroskopowe mogą być trochę takie i trochę inne, trochę twarde, trochę elastyczne, brązowe ale i trochę czerwone. Ale nie mogą być we wzajemnie wykluczających się stanach. Tu i tam, mieć masę 1g i 1kg. Nie mogę jechać na rowerze 20kmh i jednocześnie 10kmh. To wydaje się zdroworozsądkowe.

Więc zrozumiałym jest, że kiedy słyszymy, że obiekty kwantowe mogą być w więcej niż jednym stanie w tym samym czasie, ciężko nam jest wyobrazić sobie co to ma znaczyć, i zaczynamy mówić o “kwantowej dziwności”, lub stwierdzamy, że jesteśmy po prostu zbyt głupi by zrozumieć mechanikę kwantową. Może jesteśmy w stanie dać sobie jakoś radę z ideą cząsteczki, która jest w więcej niż jednym miejscu na raz, jeśli pomyślimy o niej jakby była jakoś rozsmarowana albo jak gaz. To jak już wcześniej wyjaśniałem nie najlepszy sposób myślenia o tych zjawiskach ale jest to przynajmniej jakiś obraz, który możemy sobie wyobrazić. Ale powiedzieć, że cząsteczka ma dwie różne prędkości w tym samym czasie wydaje się już kompletnie bez sensu.

Ale wracając, samo mówienie o “dwustanowości w jednym momencie” cząsteczki kwantowej w tych kategoriach nie jest do końca właściwe. Na początek, stan kwantowy, tak jak definiuje go funkcja falowa, ma w sobie zakodowane oczekiwane wyniki pomiarów obserwowalnych własności. Więc co możemy zrobić to stworzyć stany kwantowe z taką funkcją falową, że jeśli wykonamy eksperyment by zmierzyć właściwości cząsteczki, zaobserwujemy jeden z nich. Ale co się wtedy dzieje z perspektywy cząsteczki - jakie jest to czym jest - przed i po tym jak dokonamy pomiaru ? Różne interpretacje mechaniki kwantowej są bardzo różne w swej odpowiedzi na to właśnie pytanie.

Dodano po 56 sekundach:
Rozdział 15

Te dwa ( lub więcej ) stanów na raz nazywane jest superpozycją. Terminologia przywołuje tu obraz jakby magicznego podwójnego istnienia. Ale dokładnie mówiąc superpozycja powinna być rozważana jedynie jako abstrakcja matematyczna. Wyrażenie pochodzi z mechaniki fal. Możemy napisać równanie dla fali jako sumę równań dwóch lub więcej innych fal.

Oto inny sposób by to powiedzieć. Funkcja falowa jest rozwiązaniem równania Schroedingera, podobnie jak x=2 jest rozwiązaniem x^2=4. Funkcja falowa jest wyrażeniem powodującym, że znak równości w równaniu Schrodingera staje się prawdziwy. W ogólności tych rozwiązań jest więcej niż jedno, jest ich więcej. Tak jak innym rozwiązaniem dla x^2=4 jest x= -2. W ten sposób np. jest bardzo wiele możliwych stanów energetycznych dla elektronu w pudełku, lub w atomie.

Superpozycja powstaje ponieważ jeśli dwie funkcje powiedzmy f1 i f2 są rozwiązaniami równania, to jest nim również jakakolwiek prosta kombinacja tych dwóch, czyli np f1 + f2. Suma dwóch funkcji falowych zdaje się zapraszać do stwierdzenia, że są one w jakiś sposób na siebie nałożone, ale musimy być ostrożni. Równie uprawnioną kombinacją jest f1 - f2, i jak to wtedy interpretować ?

Przez “prostą” kombinację mam tutaj na myśli to co matematycy nazywają kombinacją liniową. Z grubsza chodzi tu o sumę jednej funkcji plus/minus drugiej. Wyklucza to bardziej złożone kombinacje zawierające np potęgi funkcji falowych. Fakt, że te liniowe kombinacje lub superpozycje są dozwolonymi stanami systemu w mechanice kwantowej nie ma nic wspólnego z kwantowością, wynika z tego, że bazuje na fizyce fal. Superpozycja fal jest po prostu inną falą. Superpozycja stanów kwantowych tylko wydaje się dziwna ponieważ funkcje falowe są użyte do opisu właściwości tworów, które możemy rozważać również jako cząsteczki, znaczy to, że takie cząsteczki wydają się móc mieć dwie lub więcej wartości swoich własności na raz.

Więc jaki jest właściwy sposób myślenia o superpozycji stanów kwantowych? Rozważmy pojedynczy foton, kwant światła. Światło jak wyjaśniałem wcześniej jest oscylacją pola elektrycznego połączoną z oscylacją pola magnetycznego. Te wibracje “góra-dół” poszczególnych pól mają określoną orientację w przestrzeni, trochę jak wibracje kawałka liny przywiązanej do drzewa i potrząsanej. Ta orientacja nazywana jest polaryzacją. Filtr polaryzacyjny, tak jak te zmniejszające odblaski w okularach jest materiałem, który pozwala na przeniknięcie tylko fotonom o określonej orientacji. Więc stan fotonu zawiera jakąś wartość swojej polaryzacji, zdefiniowaną w relacji do określonych kierunków w przestrzeni. Ale fotony mogą być również stworzone w superpozycji swoich polaryzacji, powiedzmy polaryzacja góra-dół połączona z polaryzacją prawo-lewo.

Jak wygląda ta superpozycja stanów fotonu ? Mówimy o niej zwyczajowo jako o pewnego rodzaju miksturze obu stanów polaryzacji. Czy to oznacza, że czasem foton oscyluje w pionie a czasem w poziomie ? Nie zupełnie. Czy to znaczy, że połowa fotonu jest spolaryzowana pionowo a połowa poziomo ? Również nie. Jak więc to wygląda ?

Odpowiedź Nielsa Bohra była bardzo prosta : “nie pytaj”. Funkcja falowa superpozycji stanów nie mówi niczego o tym “jaki” foton jest. Jest narzędziem do przewidzenia tego co zmierzysz. A pomiar w takiej sytuacji czasem pokaże foton o polaryzacji poziomej, a czasem o pionowej. Jeśli superpozycja stanów jest opisana funkcją falową która ma równe wagi na każdą ze składowych wtedy 50% pomiarów da polaryzację pionową a 50% poziomą.

Jeśli zaakceptujesz rygor/samozadowolenie Bohra, wtedy nie musimy się już martwić czym “jest” stan w superpozycji przed dokonaniem pomiaru, ale możemy po prostu zaakceptować, że taki stan czasem da nam jeden rezultat, a czasem inny w zależności od wag przypisanych w funkcji falowej. To wszystko spina się w całkiem spójny obraz.

Ale nie jest to obraz który możemy zwizualizować w sensie cząstek robiących coś, czy nawet wibrujących pól kwantowych. Czy jest eksperyment, który może pomóc nam w zrozumieniu tego co te cząstki tam kombinują ? Tak, jest - ale to co jego wynik pokazuje jest tak samo kłopotliwe jak każda inna próba przyszpilenia tego co się dzieje wewnątrz systemu kwantowego.


Ostatnio zmieniony 2021-08-31, 17:11 przez Praktyk, łącznie zmieniany 1 raz.
Panie patrz na moje serce razem ze mną, patrz na prawdę o mnie razem ze mną.

CMK

Re: Poza Dziwnością

Post autor: CMK » 2021-08-31, 20:46

Bardzo interesujace.

ODPOWIEDZ