Keegi maailmas ei mõista kvantmehaanikat – see on peamine, mida pead selle kohta teadma. Jah, paljud füüsikud on õppinud kasutama selle seadusi ja kvantarvutuste abil isegi nähtusi ennustama. Kuid siiani pole selge, miks vaatleja kohalolek määrab süsteemi saatuse ja sunnib seda tegema valikut ühe riigi kasuks. “Teooriad ja praktikad” valis näiteid katsetest, mille tulemust vaatleja paratamatult mõjutab, ning püüdis välja mõelda, mida hakkab kvantmehaanika sellise teadvuse sekkumisega materiaalsesse reaalsusesse peale tegema.

Shroedingeri kass

Tänapäeval on kvantmehaanika tõlgendusi palju, millest populaarseim on endiselt Kopenhaageni oma. Selle peamised põhimõtted sõnastasid 1920. aastatel Niels Bohr ja Werner Heisenberg. Ja Kopenhaageni tõlgenduse keskne termin oli lainefunktsioon – matemaatiline funktsioon, mis sisaldab teavet kvantsüsteemi kõigi võimalike olekute kohta, milles see samaaegselt asub.

Kopenhaageni tõlgenduse kohaselt saab süsteemi oleku usaldusväärselt kindlaks teha ja seda muust eristada ainult vaatlus (lainefunktsioon aitab ainult matemaatiliselt arvutada süsteemi tuvastamise tõenäosust konkreetses olekus). Võib öelda, et pärast vaatlust muutub kvantsüsteem klassikaliseks: see lakkab koheselt eksisteerimast paljudes olekutes korraga ühe neist kasuks.

Sellel lähenemisel on alati olnud vastaseid (meenutagem näiteks Albert Einsteini “Jumal ei mängi täringuid”), kuid arvutuste ja ennustuste täpsus on võtnud omajagu. Viimasel ajal on aga Kopenhaageni tõlgenduse pooldajaid aina vähemaks jäänud ja mitte kõige vähem põhjus on lainefunktsiooni väga salapärane hetkeline kokkuvarisemine mõõtmise ajal. Erwin Schrödingeri kuulus mõttekatse vaese kassiga oli mõeldud just selle nähtuse absurdsuse näitamiseks.

Niisiis, tuletagem meelde katse sisu. Elus kass, ampull mürgiga ja teatud mehhanism, mis võib mürgi juhuslikult tööle panna, pannakse musta kasti. Näiteks üks radioaktiivne aatom, mille lagunemine lõhub ampulli. Aatomi lagunemise täpne aeg pole teada. Teada on ainult poolväärtusaeg: aeg, mille jooksul toimub lagunemine 50% tõenäosusega.

Selgub, et välisvaatleja jaoks eksisteerib kastis olev kass korraga kahes olekus: ta on kas elus, kui kõik läheb hästi, või surnud, kui on toimunud lagunemine ja ampull on katki läinud. Mõlemat seisundit kirjeldab kassi lainefunktsioon, mis ajas muutub: mida kaugemal, seda suurem on tõenäosus, et radioaktiivne lagunemine on juba toimunud. Kuid niipea, kui kast avatakse, kukub lainefunktsioon kokku ja me näeme kohe ka knackeri katse tulemust.

Selgub, et kuni vaatleja kasti avamiseni balansseerib kass igavesti elu ja surma piiril ning tema saatuse määrab vaid vaatleja tegevus. See on absurd, millele Schrödinger tähelepanu juhtis.

Elektronide difraktsioon

Ajalehe The New York Times juhtivate füüsikute küsitluse kohaselt sai Klaus Jensoni 1961. aastal läbi viidud elektronide difraktsioonikatsest teadusajaloo üks kaunimaid. Mis on selle olemus?

Seal on allikas, mis kiirgab elektronide voogu fotoplaadi ekraani suunas. Ja nende elektronide teel on takistus – kahe piluga vaskplaat. Millist pilti võite ekraanilt oodata, kui arvate, et elektronid on väikesed laetud kuulid? Kaks valgustatud triipu pilude vastas.

Tegelikkuses ilmub ekraanile palju keerulisem vahelduvate mustade ja valgete triipude muster. Fakt on see, et pilude läbimisel hakkavad elektronid käituma mitte nagu osakesed, vaid nagu lained (nagu footonid, valguse osakesed võivad samaaegselt olla lained). Seejärel interakteeruvad need lained ruumis, kohati üksteist nõrgendades ja tugevdades ning selle tulemusena ilmub ekraanile keerukas pilt vahelduvatest heledatest ja tumedatest triipudest.

Sel juhul katse tulemus ei muutu ja kui elektronid saadetakse läbi pilu mitte pidevas voolus, vaid üksikult, võib isegi üks osake olla samaaegselt laine. Isegi üks elektron võib korraga läbida kaks pilu (ja see on veel üks oluline kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgenduse positsioon - objektid võivad samaaegselt eksponeerida oma "tavalisi" materjaliomadusi ja eksootilise laine omadusi).

Aga mis on sellega pistmist vaatlejal? Vaatamata sellele, et tema niigi keeruline lugu läks veelgi keerulisemaks. Kui sarnaste katsete käigus püüdsid füüsikud tuvastada seadmete abil, mis tegelikult läbisid elektroni läbi pilu, muutus ekraanipilt dramaatiliselt ja muutus "klassikaliseks": kaks valgustatud ala pilude vastas ja ei mingeid vahelduvaid triipe.

Tundus, nagu ei tahtnud elektronid vaatleja valvsa pilgu all oma laineloomust näidata. Kohanesime tema instinktiivse sooviga näha lihtsat ja arusaadavat pilti. Müstik? Seletus on palju lihtsam: süsteemi ei saa jälgida ilma seda füüsiliselt mõjutamata. Kuid me tuleme selle juurde veidi hiljem tagasi.

Kuumutatud fullereen

Osakeste difraktsiooni katseid tehti mitte ainult elektronidega, vaid ka palju suuremate objektidega. Näiteks fullereenid on suured suletud molekulid, mis koosnevad kümnetest süsinikuaatomitest (näiteks kuuekümnest süsinikuaatomist koosnev fullereen on kuju poolest väga sarnane jalgpallipalliga: viisnurkadest ja kuusnurkadest kokku õmmeldud õõneskera).

Hiljuti püüdis Viini ülikooli rühm professor Zeilingeri juhtimisel sellistesse katsetesse lisada vaatluse elementi. Selleks kiiritasid nad laserkiirega liikuvaid fullereeni molekule. Hiljem hakkasid välismõjudest kuumutatud molekulid hõõguma ja paljastasid seeläbi vaatlejale paratamatult oma koha ruumis.

Koos selle uuendusega muutus ka molekulide käitumine. Enne täieliku jälgimise algust ületasid fullereenid üsna edukalt takistusi (näitasid laineomadusi), nagu eelmise näite elektronid, mis läbisid läbipaistmatut ekraani. Kuid hiljem, vaatleja ilmumisega, fullereenid rahunesid ja hakkasid käituma nagu täiesti seaduskuulekad aineosakesed.

Jahutusmõõde

Üks kuulsamaid kvantmaailma seaduspärasusi on Heisenbergi määramatuse printsiip: kvantobjekti asukohta ja kiirust üheaegselt määrata on võimatu. Mida täpsemalt me ​​osakese impulssi mõõdame, seda vähem täpselt saab mõõta selle asukohta. Kuid väikeste osakeste tasemel toimivate kvantseaduste mõjud on meie suurte makroobjektide maailmas tavaliselt märkamatud.

Seetõttu on seda väärtuslikumad USA-st pärit professor Schwabi rühma hiljutised katsed, kus kvantefekte ei demonstreeritud mitte samade elektronide või fullereeni molekulide tasemel (nende iseloomulik läbimõõt on umbes 1 nm), vaid veidi käegakatsutavamal. objekt – pisike alumiiniumriba.

See riba kinnitati mõlemalt poolt nii, et selle keskosa oli rippunud ja võis välismõjul vibreerida. Lisaks oli riba kõrval seade, mis oli võimeline selle asukohta suure täpsusega salvestama.

Selle tulemusena avastasid katsetajad kaks huvitavat efekti. Esiteks ei möödunud ükski objekti asukoha mõõtmine või riba jälgimine talle jälge jätmata - pärast iga mõõtmist riba asend muutus. Jämedalt öeldes määrasid eksperimentaatorid riba koordinaadid väga täpselt ja muutsid Heisenbergi põhimõtte kohaselt selle kiirust ja seega ka hilisemat asukohta.

Teiseks ja üsna ootamatult viisid mõned mõõtmised ka riba jahtumiseni. Selgub, et vaatleja saab muuta objektide füüsilisi omadusi juba ainuüksi oma kohalolekuga. See kõlab täiesti uskumatult, kuid füüsikute kiituseks ütleme, et nad ei olnud kahjumis - nüüd mõtleb professor Schwabi rühm, kuidas avastatud efekti jahedate elektrooniliste kiipide jaoks rakendada.

Külmuvad osakesed

Nagu teate, lagunevad ebastabiilsed radioaktiivsed osakesed maailmas mitte ainult kasside katsete huvides, vaid ka täiesti iseseisvalt. Pealegi iseloomustab iga osakest keskmine eluiga, mis, nagu selgub, võib vaatleja valvsa pilgu all pikeneda.

Seda kvantefekti ennustati esmakordselt 1960. aastatel ja selle hiilgav eksperimentaalne kinnitus ilmus Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis Nobeli preemia laureaadi füüsiku Wolfgang Ketterle grupi 2006. aastal avaldatud artiklis.

Selles töös uurisime ebastabiilsete ergastatud rubiidiumi aatomite lagunemist (lagunemist põhiolekus rubiidiumi aatomiteks ja footoniteks). Kohe pärast süsteemi ettevalmistamist ja aatomite ergastamist hakati neid jälgima – valgustati laserkiirega. Sel juhul viidi vaatlus läbi kahes režiimis: pidev (süsteemile antakse pidevalt väikeseid valgusimpulsse) ja impulss (süsteemi kiiritatakse aeg-ajalt võimsamate impulssidega).

Saadud tulemused olid suurepäraselt kooskõlas teoreetiliste ennustustega. Välised valgusmõjud aeglustavad tegelikult osakeste lagunemist, justkui tagastades need algsesse olekusse, kaugel lagunemisest. Veelgi enam, kahe uuritud režiimi mõju ulatus langeb kokku ka prognoosidega. Ja ebastabiilsete ergastatud rubiidiumiaatomite maksimaalne eluiga pikenes 30 korda.

Kvantmehaanika ja teadvus

Elektronid ja fullereenid lakkavad avaldamast oma laineomadusi, alumiiniumplaadid jahtuvad ja ebastabiilsed osakesed jäätuvad lagunemisel: vaatleja kõikvõimsa pilgu all maailm muutub. Mis ei tõenda meie mõistuse kaasatust meid ümbritseva maailma töösse? Nii et võib-olla oli Carl Jungil ja Wolfgang Paulil (Austria füüsik, Nobeli preemia laureaat, üks kvantmehaanika pioneere) õigus, kui nad väitsid, et füüsika ja teadvuse seadusi tuleks pidada üksteist täiendavateks?

Kuid see on vaid ühe sammu kaugusel rutiinsest äratundmisest: kogu meid ümbritsev maailm on meie mõistuse olemus. Jube? ("Kas te tõesti arvate, et Kuu on olemas ainult siis, kui te seda vaatate?" Einstein kommenteeris kvantmehaanika põhimõtteid). Proovime siis uuesti füüsikute poole pöörduda. Veelgi enam, viimastel aastatel on neile üha vähem meeltmööda Kopenhaageni kvantmehaanika tõlgendus koos selle müstilise funktsioonilaine kokkuvarisemisega, mis asendub teise, üsna maalähedase ja usaldusväärse terminiga - dekoherents.

Asi on selles: kõigis kirjeldatud vaatluskatsetes mõjutasid katsetajad süsteemi paratamatult. Nad valgustasid seda laseriga ja paigaldasid mõõteriistad. Ja see on üldine, väga oluline põhimõte: te ei saa süsteemi jälgida ega selle omadusi mõõta ilma sellega suhtlemata. Ja seal, kus on interaktsioon, muutuvad omadused. Veelgi enam, kui kvantobjektide koloss suhtleb pisikese kvantsüsteemiga. Seega on vaatleja igavene budistlik neutraalsus võimatu.

See on täpselt see, mis seletab mõistet "dekoherentsus" - süsteemi kvantomaduste pöördumatu rikkumise protsess selle interaktsiooni ajal teise suurema süsteemiga. Sellise interaktsiooni käigus kaotab kvantsüsteem oma algsed omadused ja muutub klassikaliseks, "alludes" suurele süsteemile. See seletab paradoksi Schrödingeri kassiga: kass on nii suur süsteem, et teda lihtsalt ei saa maailmast isoleerida. Mõtteeksperiment iseenesest pole päris õige.

Igal juhul, võrreldes tegelikkusega kui teadvuse loomise aktiga, kõlab dekoherents palju rahulikumalt. Võib-olla isegi liiga rahulik. Lõppude lõpuks muutub selle lähenemisviisiga kogu klassikaline maailm üheks suureks dekoherentsiefektiks. Ja selle valdkonna ühe tõsiseltvõetavama raamatu autorite sõnul tulenevad sellistest käsitlustest loogiliselt ka väited nagu “maailmas pole osakesi” või “ei ole aega fundamentaalsel tasemel”.

Loov vaatleja või kõikvõimas dekoherents? Valida tuleb kahe kurja vahel. Kuid pidage meeles – nüüd on teadlased üha enam veendunud, et meie mõtteprotsesside aluseks on samad kurikuulsad kvantefektid. Nii et kus lõpeb vaatlus ja algab tegelikkus – igaüks meist peab valima.

- 97,50 Kb

Vene Föderatsiooni haridus- ja teadusministeerium

Föderaalne keskerihariduse õppeasutus "Alekseevski majandus- ja infotehnoloogiakolledž"

"Kvantfüüsika tekkimine ja areng"

Lõpetanud: 22. rühma õpilane

erialad: 080110

Majandus ja raamatupidamine

(tööstuse järgi)

Rysikov Artem

Kontrollis: üldhariduse õpetaja

Koryaka Ljudmila Mihhailovna

Aleksejevka 2010

Sissejuhatus…………………………………………………………………………3

I peatükk Kvantfüüsika tekkimine ja areng…………………………4

1.1 Kvanthüpotees……………………………………………………… 8

1.2 I. Bohri aatomiteooria. Kirjavahetuse põhimõte ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

II peatükk Kvantmehaanika probleemid……………………………………….13

1.4 Kvantmehaanika tõlgendamise probleem............... .16

Järeldus …………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Viidete loend …………………………………………………………………

Sissejuhatus

Inimest ümbritsev maailm on elektromagnetilise maailmapildi järgi pidev keskkond - väli, mis võib erinevates punktides olla erineva temperatuuriga, kontsentreerida erinevaid energiapotentsiaale, liikuda erinevalt jne. Pidev keskkond võib hõivata suuri ruumialasid, selle omadused muutuvad pidevalt ja sellel pole teravaid piire. Need omadused eristavad välja füüsilistest kehadest, millel on kindlad ja selged piirid. Maailma jagunemine kehadeks ja väljaosakesteks, väljaks ja ruumiks annab tunnistust maailma kahe äärmusliku omaduse – diskreetsuse ja järjepidevuse – olemasolust. Maailma diskreetsus (katkestus) tähendab kogu aegruumi struktuuri lõplikku jaotatavust eraldiseisvateks piiratud objektideks, omadusteks ja liikumisvormideks, järjepidevus (continuity) aga väljendab objekti ühtsust, terviklikkust ja jagamatust.

Klassikalise füüsika raames ilmnevad maailma diskreetsus ja järjepidevus esialgu üksteisele vastandlike, eraldiseisvate ja sõltumatute, kuigi üldiselt täiendavate omadustena. Kaasaegses füüsikas on see vastandite, diskreetse ja pideva ühtsus leidnud oma õigustuse laine-osakeste duaalsuse kontseptsioonis.

Kaasaegne maailma kvantväljapilt põhineb uuel füüsikateoorial - kvantmehaanikal, mis kirjeldab materiaalse maailma mikroobjektide olekut ja liikumist.

I peatükk. Kvantfüüsika tekkimine ja areng

Kvantmehaanika on teooria, mis kehtestab mikroosakeste (elementaarosakesed, aatomid, molekulid, aatomituumad) ja nende süsteemide kirjeldamise meetodi ja liikumisseadused, samuti seose osakesi iseloomustavate suuruste ja süsteemide vahel vahetult eksperimentaalselt mõõdetud füüsikaliste suurustega.

Kvantmehaanika seadused on aine struktuuri uurimise aluseks. Need võimaldavad selgitada aatomite ehitust, määrata keemiliste sidemete olemust, selgitada elementide perioodilist süsteemi ja uurida elementaarosakeste omadusi.

Kuna makroskoopiliste kehade omadused on määratud osakeste, millest need koosnevad, liikumine ja vastastikmõju, on enamiku makroskoopiliste nähtuste mõistmise aluseks kvantmehaanika seadused. Näiteks võimaldas kvantmehaanika määrata tahkete ainete ehitust ja mõista paljusid omadusi, järjekindlalt selgitada ferromagnetismi, ülivoolavuse, ülijuhtivuse nähtusi, mõista astrofüüsikaliste objektide – valgete kääbuste, neutrontähtede olemust ning selgitada mehhanismi. Päikese ja tähtede termotuumareaktsioonidest.

Kvantmehaanika areng ulatub tagasi 20. sajandi algusesse, mil avastati füüsikalised nähtused, mis viitavad Newtoni mehaanika ja klassikalise elektrodünaamika mittekasutatavusele valguse ja aine vastastikmõju protsessides ja aatomis toimuvates protsessides. Seoste loomine nende nähtuste rühmade vahel ja katsed neid teooria alusel selgitada viis kvantmehaanika seaduste avastamiseni.

Esimest korda teaduses väljendas ideid kvantide kohta 1900. aastal M. Planck kehade soojuskiirguse uurimise käigus. Oma uurimistööga demonstreeris ta, et energiaemissioon toimub diskreetselt, teatud osades – kvantides, mille energia sõltub valguslaine sagedusest. Plancki katsed viisid valguse kahetise olemuse äratundmiseni, millel on nii korpuskulaarsed kui lainelised omadused, esindades seega nende vastandite dialektilist ühtsust. Dialektika väljendub eelkõige selles, et mida lühem on kiirguse lainepikkus, seda selgemalt ilmnevad kvantomadused; Mida pikem on lainepikkus, seda heledamad on valguse laineomadused.

1924. aastal esitas prantsuse füüsik L. de Broglie hüpoteesi, et laine-osakeste duaalsus on oma olemuselt universaalne, s.t. Kõigil aineosakestel on lainelised omadused. Hiljem leidis see idee eksperimentaalselt kinnitust ning laine-osakeste duaalsuse põhimõtet laiendati kõikidele liikumis- ja interaktsiooniprotsessidele mikromaailmas.

Eelkõige rakendas N. Bohr energia kvantimise ideed aatomi struktuuri teoorias. Tema ideede kohaselt on aatomi keskmes positiivselt laetud tuum, millesse on koondunud peaaegu kogu aatomi mass ja negatiivselt laetud elektronid pöörlevad tuuma ümber orbiitidel. Pöörlevad elektronid peavad kaotama osa oma energiast, mis toob kaasa aatomite ebastabiilse olemasolu. Kuid praktikas aatomid mitte ainult ei eksisteeri, vaid on ka väga stabiilsed. Seda probleemi selgitades tegi Bohr ettepaneku, et elektron, mis liigub mööda oma orbiidi, ei kiirga kvante. Kiirgus tekib ainult siis, kui elektron liigub ühelt orbiidilt teisele, s.t. ühelt energiatasemelt teisele, väiksema energiaga. Üleminekuhetkel sünnib kiirguskvant.

Vastavalt maailma kvantväljapildile ei ole igal mikroobjektil, millel on lainelised ja korpuskulaarsed omadused, kindlat liikumistrajektoori ega saa olla kindlaid koordinaate ja kiirust (impulssi). Seda saab teha ainult siis, kui määrata lainefunktsioon antud hetkel ja seejärel leida selle lainefunktsioon igal teisel hetkel. Mooduli ruut annab osakese leidmise tõenäosuse antud ruumipunktis.

Lisaks viib aegruumi suhtelisus selles maailmapildis koordinaatide ja kiiruse määramatuseni antud hetkel, mikroobjekti liikumistrajektoori puudumiseni. Ja kui klassikalises füüsikas allus suure hulga osakeste käitumine tõenäosusseadustele, siis kvantmehaanikas ei allu iga mikroosakese käitumine mitte dünaamilistele, vaid statistilistele seadustele.

Seega on aine kahepoolne: tal on nii korpuskulaarsed kui ka lainelised omadused, mis avalduvad sõltuvalt tingimustest. Seetõttu muutub reaalsuse üldpilt maailma kvantväljapildis justkui kahemõõtmeliseks: ühelt poolt hõlmab see uuritava objekti omadusi ja teiselt poolt vaatlustingimusi, millel nende omaduste kindlus sõltub. See tähendab, et reaalsuse pilt tänapäeva füüsikas ei ole mitte ainult pilt objektist, vaid ka pilt selle tunnetusprotsessist.

Liikumise idee muutub radikaalselt, mis muutub ainult fundamentaalsete füüsiliste interaktsioonide erijuhtumiks. Põhilisi füüsikalisi vastastikmõjusid on nelja tüüpi: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, tugev ja nõrk. Kõiki neid kirjeldatakse kaasaegse lähitegevuse põhimõtte alusel. Selle kohaselt edastatakse iga tüübi interaktsiooni vastav väli punktist punkti. Sel juhul on interaktsiooni ülekande kiirus alati piiratud ega saa ületada valguse kiirust vaakumis (300 000 km/s).

Regulaarsuse ja põhjuslikkuse kvantvälja mõistete eripära seisneb selles, et need esinevad alati tõenäosuslikul kujul, nn statistiliste seaduste kujul. Need vastavad loodusseaduste tundmise sügavamale tasemele. Nii selgus, et meie maailm põhineb juhusel, tõenäosusel.

Samuti oli uues maailmapildis esmakordselt vaatleja, kelle kohalolekust sõltusid saadud uurimistulemused. Veelgi enam, sõnastati nn antroopiline printsiip, mis ütleb, et meie maailm on selline, nagu ta on, vaid tänu inimese olemasolule. Nüüdsest peetakse inimese tekkimist Universumi evolutsiooni loomulikuks tulemuseks.

KVANTFÜÜSIKA TEKKIMINE JA ARENG

1.1 Kvanthüpotees

Kvantfüüsika päritolu võib leida kehade kiirgusprotsesside uurimisest. Veel 1809. aastal jõudis P. Prevost järeldusele, et iga keha kiirgab sõltumata tema keskkonnast. Spekroskoopia areng 19. sajandil. viinud selleni, et emissioonispektrite uurimisel hakatakse tähelepanu pöörama ka neeldumisspektritele. Selgub, et keha kiirguse ja neeldumise vahel on lihtne seos: neeldumisspektrites need spektri osad, mida antud keha kiirgavad, puuduvad või on nõrgenenud. Seda seadust seletati ainult kvantteoorias.

G. Kirchhoff sõnastas 1860. aastal uue seaduse, mis ütleb, et sama lainepikkusega kiirguse korral samal temperatuuril on kiirgus- ja neeldumisvõimete suhe kõigil kehadel ühesugune. Teisisõnu, kui EλT ja AλT on vastavalt keha kiirgus- ja neeldumisvõime sõltuvalt lainepikkusest λ ja temperatuurist T, siis

kus φ(λ, T) on λ ja T universaalne funktsioon, mis on kõigi kehade jaoks sama.

Kirchhoff tutvustas absoluutselt musta keha mõistet kui keha, mis neelab kõik sellele langevad kiired. Sellise keha puhul on ilmselgelt AλT = 1; siis on universaalfunktsioon φ(λ, T) võrdne absoluutselt musta keha kiirgusvõimega. Kirchhoff ise ei määranud funktsiooni φ(λ, T) kuju, vaid märkis ainult ära mõned selle omadused.

Universaalfunktsiooni φ(λ, T) kuju määramisel oli loomulik eeldada, et kasutada saab teoreetilisi kaalutlusi, eelkõige termodünaamika põhiseadusi. L. Boltzmann näitas, et täiesti musta keha kogukiirgusenergia on võrdeline selle temperatuuri neljanda astmega. Kirchhoffi funktsiooni vormi konkreetse määramise ülesanne osutus aga väga keeruliseks ning sellesuunalised termodünaamikal ja optikal põhinevad uuringud ei toonud edu.

Katse andis pildi, mida ei saa seletada klassikaliste kontseptsioonide seisukohalt: termodünaamilises tasakaalus võnkuvate aineaatomite ja elektromagnetkiirguse vahel on peaaegu kogu energia koondunud võnkuvatesse aatomitesse ja sellest moodustab vaid tühine osa. kiirgus, samas kui klassikalise teooria järgi peaks peaaegu kogu energia minema elektromagnetvälja.

80ndatel XIX sajandil Spektrijoonte jaotusmustrite empiirilised uuringud ja funktsiooni φ(λ, T) uurimine on muutunud intensiivsemaks ja süstemaatilisemaks. Eksperimentaalseid seadmeid on täiustatud. Täiesti musta keha kiirgusenergia jaoks pakkusid V. Wien 1896. aastal, J. Rayleigh ja J. Jeans 1900. aastal välja kaks erinevat valemit. Nagu katsetulemused on näidanud, on Wieni valem asümptootiliselt õige lühikeste lainete piirkonnas ja annab teravaid lahknevusi katsega pikkade lainete piirkonnas ning Rayleigh-Jeansi valem on pikkade lainete puhul asümptootiliselt õige, kuid ei ole rakendatav lühikeste lainete korral. lained.

1900. aastal pakkus M. Planck Berliini Füüsika Seltsi koosolekul välja uue valemi energia jaotamiseks väävli keha spektris. See valem nõustus täielikult katsega, kuid selle füüsiline tähendus ei olnud täiesti selge. Täiendav analüüs näitas, et sellel on mõtet ainult siis, kui jätame vahele selle, et energia kiirgus ei toimu pidevalt, vaid piiratud portsjonitena – kvantidena (ε). Veelgi enam, ε ei ole mingi suurus, nimelt ε = hν, kus h on teatud konstant ja v on valguse sagedus. See tõi koos mateeria atomismiga ära ka energia või tegevuse atomismi, kiirguse diskreetse kvantloomuse, mis ei mahtunud klassikalise füüsika mõistete raamidesse.

Energiakvantide hüpoteesi sõnastamisega sai alguse uus ajastu teoreetilise füüsika arengus. Suure eduga hakati seda hüpoteesi kasutama ka teiste nähtuste selgitamiseks, mida klassikalise füüsika mõistete alusel ei olnud võimalik kirjeldada.

Sisuliselt uus samm kvanthüpoteesi arendamisel oli valguskvantide mõiste kasutuselevõtt. Selle idee töötas välja 1905. aastal Einstein ja ta kasutas seda fotoelektrilise efekti selgitamiseks. Mitmed uuringud on tõestanud selle idee tõesust. 1909. aastal näitas Einstein kiirgusseaduste uurimist jätkates, et valgusel on nii lainelised kui ka korpuskulaarsed omadused. Üha ilmsemaks sai, et valguskiirguse laine-osakeste duaalsust ei saa klassikalise füüsika seisukohast seletada. 1912. aastal tõestas A. Poincaré lõpuks Plancki valemi ja klassikalise mehaanika kokkusobimatust. Vaja oli uusi kontseptsioone, uusi ideid ja uut teaduskeelt, et füüsikud saaksid neid ebatavalisi nähtusi mõista. Kõik see ilmnes hiljem – koos kvantmehaanika loomise ja arendamisega.

II peatükk Kvantmehaanika probleemid……………………………………….13
1.3 Mitterelativistliku kvantmehaanika loomine……………………13
1.4 Kvantmehaanika tõlgendamise probleem............16
Järeldus…………………………………………………………………………………19
Viidete loetelu………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

E.S.,
, Munitsipaalõppeasutuse keskkool nr 16 UIOP-ga, Lysva, Permi piirkond.

Kvantfüüsika sünd

Leidke kõige algus ja saate palju aru!
Kozma Prutkov

Tunni õpetlik eesmärk: tutvustada mateeria diskreetsuse mõistet, sõnastada mateeria kvantlaine dualismi mõiste, põhjendada Plancki valemite ja de Broglie lainepikkuse kasutuselevõttu.

Tunni arendav eesmärk: arendada loogilist mõtlemist, oskust olukordi võrrelda ja analüüsida ning näha interdistsiplinaarseid seoseid.

Tunni õpetlik eesmärk: kujundada dialektilis-materialistlikku mõtlemist.

Füüsikal kui teadusel on universaalsed inimlikud väärtused ja tohutu humanitaarpotentsiaal. Selle uurimise käigus paljastatakse põhilised teaduslikud meetodid (teaduslik eksperiment, modelleerimine, mõtteeksperiment, teadusliku teooria loomine ja struktuur). Õpilastele tuleb anda võimalus vaadata maailma füüsiku pilguga, et mõista maailma igavikulisust ja pidevat muutumist – maailma, milles on nii palju tohutut ja ebaoluliselt väikest, väga kiiret ja ebatavaliselt aeglast. , lihtne ja raskesti mõistetav - tunda inimese pidevat soovi teadmiste järele, mis pakuvad sügavaimat rahuldust, tutvuda näidetega sügavast "teaduslike kahtluste" kogemusest ja julgest liikumisest mööda võõrast rada elegantsi, lühidust ja selgust otsides. .

I. Õpetaja. Kui hakkasime optikat õppima, esitasin küsimuse: "Mis on valgus?" Kuidas sa sellele nüüd vastaksid? Proovige oma mõte ühe lausega sõnastada. Alusta sõnadega "valgus on..." F.I. Tjutševil on järgmised read: "Jälle ahnete silmadega // Ma joon eluandvat valgust." Palun proovige neid ridu füüsika vaatenurgast kommenteerida. Luules – Homerosest tänapäevani – on valguse tekitatud aistingud alati saanud erilise koha. Kõige sagedamini tajusid luuletajad valgust kui erilist helendavat, säravat vedelikku.

Et tänane vestlus valguse teemal oleks täielik, tahaksin lugeda S.I. Vavilova: „Jätkuval võidukal tõe pärast sõda, mis ei lõpe kunagi lõpliku võiduga, on siiski vaieldamatu õigustus. Valguse olemuse mõistmise teel sai inimene mikroskoobid, teleskoobid, kaugusmõõtjad, raadiod ja röntgenikiirgus; see uurimus aitas omandada aatomituuma energia. Tõde otsides laiendab inimene piiramatult oma loodusvaldamise valdkondi. Kas see pole mitte teaduse tegelik ülesanne? (rõhutus minu poolt. E.U.)»

II. Õpetaja. Füüsika õppimise käigus tutvusime paljude teooriatega, näiteks MCT, termodünaamika, Maxwelli elektromagnetvälja teooriaga jne. Tänaseks lõpetame laineoptika õpet. Peame teema uurimise kokku võtma ja võib-olla panema viimase punkti küsimusele: "Mis on valgus?" Kas saaksite kasutada näiteid laineoptikast, et näidata teooria rolli looduse mõistmise protsessis?

Pidagem meeles, et teooria tähendus ei seisne mitte ainult selles, et see võimaldab seletada paljusid nähtusi, vaid ka selles, et see võimaldab ennustada uusi, seni teadmata füüsikalisi nähtusi, kehade omadusi ja mustreid. Seega selgitas laineteooria interferentsi, difraktsiooni, polarisatsiooni, murdumise, valguse hajumise nähtusi ja võimaldas teha "pliiatsi otsas avastuse" - ennustuse. 1815. aastal esitas tundmatu pensionil insener Augustin Fresnel Pariisi Teaduste Akadeemiale difraktsiooni nähtust selgitava artikli. Töö analüüs usaldati kuulsatele teadlastele – füüsik D. Aragole ja matemaatik S. Poissonile. Poisson, lugedes seda teost kirega, avastas Fresneli järeldustes karjuva absurdsuse: kui valgusvoogu asetada väike ümmargune sihtmärk, peaks varju keskele ilmuma hele laik! Mis te arvate, mis juhtus järgmisena? Paar päeva hiljem Arago katsetas ja avastas, et Fresnelil oli õigus! Niisiis, 19. sajand on laineoptika võidukäigu sajand.

Mis on valgus? Valgus on elektromagnetiline põiklaine.

Lõpetades suure valguse ja elektromagnetlainete olemusega seotud füüsikalõigu, teen ettepaneku sooritada iseseisvalt testülesanne “Elektromagnetlained” (vt lisa 1). Kontrollime täitmist eesotsas.

III. Õpetaja. Ja Londoni ajalehed kirjutasid 1900. aasta eelõhtul järgmiselt: „Kui Londoni tänavad valgustasid hämarate õlikausside asemel eredatest lambipirnidest valmistatud pidulikud tuled, sõitsid Fleet Streeti iidse hoone juurde üksteise järel taksod. Rüüdes auväärsed härrad tõusid mööda laia eredalt valgustatud trepihalli saali. Seejärel kogunesid Londoni Kuningliku Seltsi liikmed oma järgmisele koosolekule. Pikakasvuline, hallipäine, paksu habemega, Sir William Thomson (kas teate tema saavutusi füüsika vallas? - E.U.), andis kaheksa aastat tagasi kuninganna Victoria käest eakaaslase ja lord Kelvini tiitli (kas see nimi on teile tuttav? - E.U.), ja nüüd seltsi president, alustas oma uusaastakõnet. 19. sajandi suur füüsik märkis ära möödunud sajandil saavutatud edu, loetles kohalviibijate teeneid...

Kokkutulnud noogutasid tunnustavalt pead. Kui olla tagasihoidlik, siis nad tegid head tööd. Ja Sir Williamil oli õigus, kui ta ütles, et suur füüsikahoone on ehitatud ja jäänud on vaid väikesed viimistlused.

Tõsi (lord Kelvin katkestas hetkeks kõne), füüsika pilvitu horisondis on kaks väikest pilve, kaks probleemi, mis pole klassikalise füüsika seisukohalt veel seletust leidnud... Kuid need nähtused on ajutised ja mööduvad. Rahulikult kõrgete seljatoega antiiktoolide sisse seadnud härrad naeratasid. Kõik teadsid, millest me räägime:

1) klassikaline füüsika ei suutnud seletada Michelsoni katseid, mis ei määranud Maa liikumise mõju valguse kiirusele. Kõigis referentssüsteemides (nii liikuvas kui ka puhkeolekus Maa suhtes) on valguse kiirus ühesugune – 300 000 km/s;

2) klassikaline füüsika ei suutnud seletada eksperimentaalselt saadud musta keha kiirguse graafikut.

Sir William ei osanud isegi ette kujutada, milline välk nendest pilvedest peagi lööb! Tulevikku vaadates ütlen: esimese probleemi lahendus viib klassikaliste ideede ülevaatamiseni ruumi ja aja kohta, relatiivsusteooria loomiseni; teise probleemi lahendus toob kaasa uue teooria loomise. - kvant. See on lahendus teisele probleemile, mida tänases õppetükis arutatakse!

IV. (Õpilased teevad oma vihikusse märkmeid: Kuupäev Tunni nr Tunni teema: "Kvantfüüsika päritolu".) 19. ja 20. sajandi vahetusel. Füüsikas tekkis hädasti lahendamist vajav probleem: absoluutselt musta keha kiirgusgraafiku teoreetiline seletus. Mis on täiuslik must keha? ( Õpilaste hüpoteesid. Videoklipi “Soojuskiirgus” demonstratsioon .)

Õpetaja. Kirjutage üles: "Täiesti must keha on keha, mis on võimeline neelama peegeldumiseta kogu langeva kiirgusvoo, kõik mis tahes lainepikkusega (mis tahes sagedusega) elektromagnetlained."

Kuid täiesti mustadel kehadel on veel üks omadus. Mäletate, miks musta nahaga inimesed elavad ekvatoriaalterritooriumidel? "Mustad kehad helendavad kuumutamisel heledamalt kui ükski teine ​​keha, see tähendab, et nad kiirgavad energiat kõigis sagedusvahemikes," kirjutage see oma märkmikusse.

Teadlased on katseliselt määranud täiesti musta keha kiirgusspektri. ( Joonistab graafiku.) Rν – energeetilise heleduse spektraaltihedus – keha pindalaühikult ühikulises sagedusvahemikus ν ajaühikus emiteeritud elektromagnetkiirguse energia. Maxwelli elektromagnetvälja teooria ennustas elektromagnetlainete olemasolu, kuid selle teooria alusel konstrueeritud teoreetilisel musta keha kiirguskõveral oli lahknevus kõrgsageduspiirkonna eksperimentaalkõveraga. Probleemi kallal töötasid tolleaegsed parimad mõistused: inglased Lord Rayleigh ja J. Jeans, sakslased P. Kirchhoff ja V. Wien, Moskva professor V.A. Mihhelson. Miski ei töötanud!

Paku väljapääsu praegusest olukorrast. Teoreetiline kõver erineb eksperimentaalsest. Kuidas olla ja mida teha? ( Õpilased väljendavad hüpoteese: viige katseid läbi hoolikamalt - nad tegid, tulemus on sama; muuda teooriat – aga see on katastroof, kogu tuhandete aastate jooksul loodud klassikalise füüsika vundament variseb kokku!) Loodud olukord füüsikas nimetati ultraviolettkiirguse katastroof.

Kirjutage üles: "Klassikalise füüsika meetodid osutusid ebapiisavaks, et selgitada kõrgsageduspiirkonnas täiesti musta keha kiirgust - see oli "ultraviolettkatastroof".

Kes oskab arvata, miks see kriis nime sai ultraviolettkiirguse katastroof, ja mitte infrapuna või violetne? Füüsikas on puhkenud kriis! Kreeka sõna κρίση [ kriis] tähistavad rasket üleminekut ühest stabiilsest olekust teise. Probleem tuli lahendada ja kiiresti lahendada!

V.Õpetaja. Ja nii tegi saksa teadlane M. Planck 19. oktoobril 1900. aastal Füüsika Seltsi koosolekul ettepaneku kasutada absoluutselt musta keha kiirguse arvutamiseks valemit. E = hν. Plancki sõber ja kolleeg Heinrich Rubens istus terve öö oma töölaua taga, võrdles oma mõõtmisi Plancki valemiga antud tulemustega ja oli hämmastunud: tema sõbra valem kirjeldas peensusteni absoluutselt musta keha kiirgusspektrit! Niisiis, Plancki valem kõrvaldas "ultraviolettkatastroofi", kuid mis hinnaga! Planck tegi vastupidiselt väljakujunenud seisukohtadele ettepaneku arvestada, et aine aatomite kiirgusenergia emissioon toimub diskreetselt, st osadena, kvantidena. "Kvant" ( kvant) ladina keelest tõlgituna tähendab lihtsalt kogus .

Mida tähendab "diskreetne"? Teeme mõtteeksperimendi. Kujutage ette, et teie käes on purk vett täis. Kas pooli on võimalik valada? Kuidas oleks lonksu võtmisega? Ja veel vähem? Põhimõtteliselt on võimalik vee massi suvaliselt väikese koguse võrra vähendada või suurendada. Kujutagem nüüd ette, et meie käes on kast 100 g lastekuubikuid. Kas on võimalik vähendada näiteks 370 g? Ei! Sa ei saa kuubikuid purustada! Seetõttu võib kasti mass diskreetselt muutuda, ainult portsjonitena, mis on 100 g mitmekordsed! Väikseima summa, mille võrra saab karbi massi muuta, võib nimetada osa, või massikvant.

Seega muutus kuumutatud musta keha pidev energiavoog eraldi portsjonitest koosneva "kuulipilduja purskeks" - energiakvantideks. See ei tunduks midagi erilist. Kuid tegelikult tähendas see kogu klassikalise füüsika suurepäraselt ehitatud ehitise hävitamist, kuna järjepidevuse printsiibile rajatud põhiliste põhiseaduste asemel pakkus Planck välja diskreetsuse printsiibi. Planckile endale diskreetsuse idee ei meeldinud. Ta püüdis sõnastada teooriat nii, et see sobiks täielikult klassikalise füüsika raamidesse.

Kuid oli inimene, kes, vastupidi, läks veelgi otsustavamalt klassikaliste ideede piiridest välja. See mees oli A. Einstein. Et mõistaksite Einsteini vaadete revolutsioonilist olemust, ütlen vaid, et Plancki ideed kasutades pani ta aluse laserite (kvantgeneraatorite) teooriale ja aatomienergia kasutamise põhimõttele.

Akadeemik S.I. Vavilov ei suutnud väga pikka aega harjuda ideega valgusest kui kvantide ainest, kuid temast sai selle hüpoteesi tulihingeline austaja ja ta pakkus isegi välja kvantide vaatlemise viisi. Ta arvutas, et silm suudab eristada valgustust, mille tekitab 52 rohelise valguse kvanti.

Nii et Plancki sõnul on valgus... ( õpilaste avaldused).

VI. Õpetaja. Kas Plancki hüpotees ei tuleta meelde juba tuntud hüpoteesi valguse olemuse kohta? Sir Isaac Newton tegi ettepaneku pidada valgust koosnevaks pisikestest osakestest – kehakestest. Iga helendav keha kiirgab neid igas suunas. Nad lendavad sirgjooneliselt ja kui nad meile silma tabavad, näeme nende allikat. Iga värv vastab oma kehakestele ja need erinevad tõenäoliselt selle poolest, et neil on erinev mass. Kerekehade kombineeritud voog loob valge valguse.

Sir Isaac Newtoni ajal nimetati füüsikat loodusfilosoofiaks. Miks? Lugege (vt lisa 2) üht dialektika põhiseadust – eituse eituse seadust. Proovige seda rakendada valguse olemuse küsimuses. ( Õpilaste arutluskäik.)

Niisiis, M. Plancki hüpoteesi kohaselt on valgus osakeste, kehakeste ja kvantide voog, millest igaühel on energia E = hν. Palun analüüsige seda valemit: mis on ν? mis on juhtunud h (üks õpilastest annab kindlasti mõista, et see on mingi konstant, mis sai nime Plancki järgi)? Mis on Plancki konstandi ühik? mis on konstandi väärtus ( füüsikaliste konstantide tabeliga töötamine)? Mis on Plancki konstandi nimi? Mis on Plancki konstandi füüsiline tähendus?

Plancki valemi ilu hindamiseks pöördume probleemide... bioloogia poole. Kutsun õpilasi vastama bioloogia valdkonna küsimustele (lisa 3).

Nägemismehhanism. Nägemise kaudu saame umbes 90% teabest maailma kohta. Seetõttu on nägemismehhanismi küsimus inimesi alati huvitanud. Miks inimsilm ja enamik Maa elanikest tajub looduses eksisteeriva elektromagnetilise kiirguse spektrist vaid väikest laineid? Mis siis, kui inimesel oleks infrapunanägemine, näiteks nagu maod?

Öösel näeksime, nagu ka päeval, kõiki orgaanilisi kehasid, kuna nende temperatuur erineb elutute kehade temperatuurist. Kuid meie jaoks oleks kõige võimsam selliste kiirte allikas meie enda keha. Kui silm on infrapunakiirguse suhtes tundlik, tuhmuks Päikese valgus meie jaoks tema enda kiirguse taustal lihtsalt ära. Me ei näeks midagi, meie silmad oleksid kasutud.

Miks meie silmad infrapunavalgusele ei reageeri? Arvutame infrapuna- ja nähtava valguse kvantide energia järgmise valemi abil:

IR-kvantide energia on väiksem kui nähtava valguse kvantide energia. Mitu kvanti ei saa “kokku saada”, et tekitada tegevust, mis ületab ühe kvanti jõu – mikromaailmas toimub kvanti ja osakese üks-ühele interaktsioon. Ainult nähtava valguse kvant, mille energia on suurem kui infrapunavalgusel, võib põhjustada reaktsiooni rodopsiini molekulis, st võrkkesta varras. Nähtava valguse kvanti mõju võrkkestale võib võrrelda tennisepalli löögiga, mis liigutas... mitmekorruselist hoonet. (Reetina tundlikkus on nii kõrge!)

Miks silm ei reageeri ultraviolettkiirgusele? UV-kiirgus on ka silmale nähtamatu, kuigi UV-kvantide energia on palju suurem kui nähtava valguse kvantide oma. Võrkkesta on UV-kiirte suhtes tundlik, kuid lääts neelab need, vastasel juhul oleks neil hävitav mõju.

Evolutsiooni käigus on elusorganismide silmad kohanenud tajuma Maa võimsaima allika – Päikese – kiirguse energiat ja just neid laineid, mis moodustavad Maale langeva päikesekiirguse maksimaalse energia.

Fotosüntees. Rohelistes taimedes ei peatu protsess, mille kaudu kõik elusolendid saavad hingamiseks ja toiduks hapnikku, sekundikski. See on fotosüntees. Lehtede värvus on roheline, kuna selle rakkudes on klorofüll. Fotosünteesi reaktsioonid toimuvad kiirguse mõjul spektri punakasvioletses osas ja spektri rohelisele osale vastava sagedusega lained peegelduvad, mistõttu on lehtedel roheline värvus.

Klorofülli molekulid "vastutavad" ainulaadse protsessi eest, mille käigus muundatakse valgusenergia orgaaniliste ainete energiaks. See algab valguskvanti neeldumisega klorofülli molekuli poolt. Valguskvanti neeldumine põhjustab fotosünteesi keemilisi reaktsioone, mis hõlmavad paljusid ühikuid.

Terve päeva on klorofülli molekulid "hõivatud" sellega, et pärast kvanti saamist kasutavad nad selle energiat, muutes selle elektroni potentsiaalseks energiaks. Nende tegevust võib võrrelda mehhanismi tegevusega, mis tõstab palli trepist üles. Treppidest alla veeredes kaotab pall oma energia, kuid see ei kao, vaid muutub fotosünteesi käigus tekkinud ainete siseenergiaks.

Klorofülli molekulid "töötavad" ainult valgel ajal, kui nähtav valgus neid tabab. Öösiti nad “puhkavad”, vaatamata sellele, et elektromagnetkiirgusest puudust pole: maa ja taimed kiirgavad infrapunavalgust, kuid selles vahemikus olevate kvantide energia on väiksem kui fotosünteesiks vajalik. Taimed on evolutsiooni käigus kohanenud akumuleerima Maa võimsaima energiaallika – Päikese – energiat.

Pärilikkus.(Õpilased vastavad lisa 3 kaardi „Pärilikkus“ küsimustele 1–3). Organismide pärilikud omadused on kodeeritud DNA molekulidesse ja kanduvad põlvest põlve maatriksi teel. Kuidas tekitada mutatsiooni? Millise kiirguse mõjul mutatsiooniprotsess toimub?

Ühe mutatsiooni tekitamiseks on vaja anda DNA molekulile piisavalt energiat, et muuta DNA geeni mõne osa struktuuri. On teada, et γ-kvandid ja röntgenikiirgus, nagu bioloogid ütlevad, väga mutageenne– nende kvantid kannavad piisavalt energiat DNA osa struktuuri muutmiseks. IR-kiirgus ja ilmselt selline tegevus "ei ole võimeline"; nende sagedus ja seega ka energia on liiga madal. Kui elektromagnetvälja energia neelduks mitte portsjonitena, vaid pidevalt, siis suudaksid need kiirgused DNA-d mõjutada, sest organism ise on oma sugurakkude suhtes lähim ja võimsaim, pidevalt töötav allikas. kiirgus.

30ndate alguseks. XX sajand Tänu kvantmehaanika edusammudele tekkis füüsikutel sellise jõu tunne, et nad pöördusid elu enda poole. Geneetikas oli palju sarnasusi. Bioloogid on avastanud diskreetse jagamatu osakese – geeni –, mis võib liikuda ühest olekust teise. Muutused geenide konfiguratsioonis on seotud muutustega kromosoomides, mis põhjustavad mutatsioone ja seda osutus võimalikuks seletada kvantmõistete alusel. Üks molekulaarbioloogia rajajaid, kes pälvis Nobeli preemia bakterite ja bakteriofaagide mutatsiooniprotsesside alase uurimistöö eest, oli saksa teoreetiline füüsik M. Delbrück. 1944. aastal ilmus füüsik E. Schrödingeri lühiraamat “Mis on elu?”. See esitas selgelt ja kokkuvõtlikult geneetika põhialuseid ning paljastas seose geneetika ja kvantmehaanika vahel. Raamat andis tõuke füüsikute rünnakule geeni vastu. Tänu Ameerika füüsikute J. Watsoni, F. Cricki ja M. Wilkinsi tööle said bioloogid teada, kuidas kõige elementaarsem "elus" molekul, DNA, on "struktureeritud". Röntgendifraktsioonianalüüs võimaldas seda näha.

VII. Õpetaja. Tulen tagasi küsimuse juurde: mis on valgus? ( Õpilane vastab.) Selgub, et füüsika pöördus tagasi Newtoni valgusosakese – korpuskli – juurde, lükates tagasi idee valgusest kui lainest? Ei! Kogu valguse laineteooria pärandit on võimatu maha kriipsutada! On ju ammu teada difraktsioon, interferents ja paljud teised nähtused, mis eksperimentaalselt kinnitavad, et valgus on laine. Mida ma peaksin tegema? ( Õpilaste hüpoteesid.)

Jääb üle vaid üks asi: kuidagi ühendada laineid osakestega. Tunnistage, et on üks nähtuste ring, kus valgus avaldab laineomadusi, ja on veel üks ring, milles valguse korpuskulaarne olemus on esikohal. Teisisõnu – kirjuta üles! – valgusel on kvantlaine duaalsus! See on valguse kahetine olemus. Füüsikutel oli väga raske ühendada kaks seni kokkusobimatut ideed üheks. Osake on midagi tahket, muutumatut, kindla suurusega, ruumiliselt piiratud. Laine on midagi voolavat, ebastabiilset, ilma selgete piirideta. Enam-vähem selgelt ühendati need ideed lainepaketi kontseptsiooni abil. See on midagi mõlemast otsast "äralõigatud" laine sarnast või õigemini laineid, mis liiguvad läbi ruumi ühtse tervikuna. Tromb võib kahaneda või venida olenevalt keskkonnast, kuhu see siseneb. See meenutab lendavat vedrut.

Milline lainepaketi omadus muutub, kui valgus liigub ühest keskkonnast teise? ( Õpilane vastab.)

1927. aastal tegi Ameerika füüsik Lewis ettepaneku nimetada seda lainepaketti footon(kreeka keelest φωτóς [phos, fotod] – ) . Mis on footon? ( Õpilased töötavad õpikuga ja teevad järeldusi.)

Järeldused. Footon on: elektromagnetkiirguse kvant, massita osake, puhkeolekus footonit ei eksisteeri, vaakumis valguskiirusel liikuv osake c= 3 10 8 m/s on ühtne tervik ja jagamatu, footoni murdosa olemasolu on võimatu; energiaga osake E = hν, kus h= 6,63 · 10 -34 J · s; ν on valguse sagedus; impulsiga osake on elektriliselt neutraalne osake.

Maailm on üles ehitatud nii, et valgus näitab meile kõige sagedamini lainelist olemust, kuni me arvestame selle vastasmõju ainega. Ja aine ilmub meie ette korpuskulaarses vormis, kuni hakkame mõtlema aatomitevaheliste sidemete olemuse, ülekandeprotsesside, elektritakistuse jne olemuse üle. Kuid olenemata meie asukohast igal hetkel, on mikroosakesel mõlemad omadused.

Kvantteooria ja eriti valguse kvantteooria loomise protsess on sügavalt dialektiline. Vana, klassikalise mehaanika ja optika ideed ja kujundid, mis on rikastatud uute ideedega, mida loovalt rakendati füüsilises reaalsuses, andsid lõpuks aluse põhimõtteliselt uuele füüsikateooriale.

Harjutus: Lugege ühtsuse ja vastandite võitluse filosoofilist seadust ja tehke järeldus kahe valgusteooria kohta: valguse laine- ja kvantteooria.

VIII. Õpetaja. 1924. aastal avaldas prantsuse füüsik Louis de Broglie (endine sõjaväe raadiotelegrafist) täiesti paradoksaalseid, isegi tollaste vaprate füüsikute jaoks mõtteid aatomiosakeste liikumise olemusest. De Broglie väitis, et elektronide ja teiste osakeste omadused ei erine põhimõtteliselt kvantide omadustest! Sellest järeldub, et elektronidel ja teistel osakestel peaksid olema ka lainelised omadused, et näiteks tuleks jälgida elektronide difraktsiooni. Ja tõepoolest avastati katsetega, et 1927. aastal viisid üksteisest sõltumatult läbi Ameerika füüsikud K.-J. Davisson ja L. Germer, nõukogude füüsik P.S. Tartakovski ja inglise füüsik J.-P. Tomson. De Broglie lainepikkus arvutatakse järgmise valemi abil:

Lahendame ülesandeid de Broglie lainepikkuse arvutamiseks (lisa 4).

Nagu arvutused näitavad, liigub valentselektron aatomi sees kiirusega 0,01 Koos, difrakteerub ioonsel kristallvõrel lainetuna lainepikkusega ~10 -10 m ja umbes 500 m/s lendava kuuli lainepikkus on ca 10 -34 m Nii väikest lainepikkust ei saa registreerida igal viisil ja seetõttu käitub kuul nagu päris osake.

Teaduse algusest peale peetud võitlus mateeria diskreetsuse ja järjepidevuse ideede vahel lõppes mõlema idee ühinemisega elementaarosakeste kaksikomaduste ideesse. Elektronide laineomaduste kasutamine on võimaldanud oluliselt tõsta mikroskoopide lahutusvõimet. Elektroni lainepikkus sõltub kiirusest ja seega ka elektrone kiirendavast pingest (vt lisa 4 ülesannet 5). Enamikus elektronmikroskoopides on de Broglie lainepikkus sadu kordi väiksem kui valguse lainepikkus. Võimalik näha veelgi väiksemaid objekte kuni üksikute molekulideni.

Sündis lainemehaanika, kvantfüüsika suure ehitise alus. De Broglie pani aluse valguse interferentsi ja difraktsiooni teooriale, andis Plancki valemi uue tuletise ning lõi sügava vastavuse osakeste liikumise ja nendega seotud lainete vahel.

Mis tahes teooriat uurides panime alati tähele selle teooria rakendatavuse piire. Kvantteooria rakenduspiirid pole veel paika pandud, kuid selle seaduspärasusi tuleks rakendada mikroosakeste liikumise kirjeldamiseks ruumi väikestes piirkondades ja elektromagnetlainete kõrgetel sagedustel, kui mõõteriistad võimaldavad registreerida üksikuid kvante (energiat). ~10 -16 J). Seega, et kirjeldada aine ja röntgenkiirguse vastasmõju, mille kvantide energia on kaks suurusjärku suurem ülaltoodud piirist, on vaja rakendada kvantfüüsika seadusi ning kirjeldada kvantfüüsika omadusi. raadiolaineid, klassikalise elektrodünaamika seadused on täiesti piisavad. Tuleb meeles pidada, et kvantteooria peamiseks "katsepolügooniks" on aatomi ja aatomituuma füüsika.

Tänase õppetunni lõpetuseks esitan teile veel kord küsimuse: mis on valgus? ( Õpilane vastab.)

Kirjandus

1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Füüsika. 11. klass: hariv. üldharidusasutustele: põhi- ja erialane. tasemed. M.: Haridus, 2009.
2. Rahvahariduse videoentsüklopeedia. Lennauchfilm. Videostuudio "Kvart". [Elektrooniline ressurss] Kassett nr 2 “Soojuskiirgus”.
3. Tomilin A.N. Päritolu otsides: teaduslik-pop. väljaanne. L.: Määrat. kirjandus, 1990.
4. Kvantmehaanika. Kvantelektrodünaamika // Encycl. sl. noor füüsik / Koost. V.A. Tšujanov. M.: Pedagoogika, 1984.
5. Koltun M. Füüsikamaailm. M.: Määrat. kirjandus, 1984.
6. Solopov E.F. Filosoofia: õpik. abi õpilastele kõrgemale õpik asutused. M.: Vlados, 2003.
7. Iltšenko V.R. Füüsika, keemia, bioloogia ristteed: raamat. õpilaste jaoks. M.: Haridus, 1986.
8. Katz Ts.B. Biofüüsika füüsikatundides: raamat. õpetaja jaoks. M.: Haridus, 1988.

Jelena Stepanovna Uvitskaja– kõrgeima kvalifikatsioonikategooria füüsikaõpetaja, lõpetanud Tula nimelise Riikliku Pedagoogilise Instituudi. L.N. Tolstoi 1977. aastal ja määrati Uuralitesse, väikesesse tööstuslinna Lysvasse, kus ta töötab siiani. Vene Föderatsiooni üldhariduse autöötaja, ülevenemaalise füüsika- ja matemaatikaõpetajate konkursi võitja (Dünastia Fond). Lõpetajad on juba aastaid edukalt sooritanud ühtse riigieksami ja astunud Moskva, Peterburi, Jekaterinburgi ja Permi ülikoolidesse. Kunagi, pärast Smaragdtahvelarvuti kohta lugemist, tabas mind legendaarse Hermese idee aktuaalsus: iga asi, objekt, protsess meie universumis kannab üksteise ja ühtse terviku tunnuseid. Sellest ajast peale on ta pööranud suurt tähelepanu interdistsiplinaarsetele seostele ja analoogiatele: füüsika ja bioloogia, füüsika ja matemaatika, füüsika ja kirjandus ning nüüd füüsika ja inglise keel. Ta tegeleb õpilastega teadusliku tööga, eriti algklassides: kus elab elekter? Miks on tavaline vesi nii ebatavaline? Milline see on, salapärane staaride maailm? Peres on kaks poega, mõlemad on lõpetanud Permi Riikliku Tehnikaülikooli. Juunior on insener, vanem karate-do õpetaja, musta vööga, teise daniga, mitmekordne Venemaa meister, Jaapanis maailmameistrivõistlustel osaleja. Õpetaja edu oleks olnud võimatu ilma elektriinsenerist abikaasa abita, kes on koolitanud: katsete väljatöötamist ja läbiviimist, uute seadmete loomist ning lihtsalt tuge ja nõuandeid, mis aitavad erinevates elusituatsioonides.

Kõik taotlused on esitatud . – Ed.

Maxwelli teooria rolli väljendas kõige paremini kuulus füüsik Robert Feynman: „Inimkonna ajaloos (kui me vaatame seda näiteks 10 000 aasta pärast) on 19. sajandi kõige olulisem sündmus kahtlemata Maxwelli avastus. elektrodünaamika seadused. Selle olulise teadusliku avastuse taustal näib Ameerika kodusõda samal kümnendil väikese provintsi vahejuhtumina.

Planck kõhkles kaua, kas valida humanitaar- või füüsika. Kõik Plancki teosed eristuvad graatsilisuse ja ilu poolest. A. Einstein kirjutas nende kohta: “Tema töid uurides jääb mulje, et artistlikkuse nõue on tema loomingu üks peamisi allikaid.”

1935. aastal, kui kvantmehaanika ja Einsteini üldine relatiivsusteooria olid väga noored, tegi mitte nii kuulus nõukogude füüsik Matvei Bronstein 28-aastaselt esimese üksikasjaliku uuringu nende kahe teooria sobitamise kohta kvantteoorias. gravitatsiooni. See "võib-olla kogu maailma teooria", nagu Bronstein kirjutas, võib asendada Einsteini klassikalise gravitatsioonikirjelduse, milles seda nähakse aegruumi kontiinumi kõveratena, ja kirjutada selle ümber kvantkeeles, nagu ülejäänud füüsika.

Bronstein mõtles välja, kuidas kirjeldada gravitatsiooni kvantiseeritud osakeste kaudu, mida nüüd nimetatakse gravitoniteks, kuid ainult siis, kui gravitatsioonijõud on nõrk – see tähendab (üldrelatiivsusteoorias), kui aegruum on nii kergelt kõver, et see on sisuliselt tasane. Kui gravitatsioon on tugev, on olukord täiesti erinev, kirjutas teadlane. "Ilma klassikaliste kontseptsioonide põhjaliku läbivaatamiseta tundub selles valdkonnas peaaegu võimatu ette kujutada gravitatsiooni kvantteooriat."

Tema sõnad olid prohvetlikud. Kaheksakümmend kolm aastat hiljem püüavad füüsikud ikka veel mõista, kuidas aegruumi kõverus avaldub makroskoopilistel skaaladel, mis tuleneb fundamentaalsemast ja oletatavasti kvantpildist gravitatsioonist; See on võib-olla füüsika sügavaim küsimus. Võib-olla kiirendaks Bronsteini helge mõistus selle otsingu protsessi, kui oleks võimalus. Lisaks kvantgravitatsioonile andis ta oma panuse ka astrofüüsikasse ja kosmoloogiasse, pooljuhtide teooriasse, kvantelektrodünaamikasse ning kirjutas mitmeid lastele mõeldud raamatuid. 1938. aastal langes ta Stalini repressioonide alla ja hukati 31-aastaselt.

Täieliku kvantgravitatsiooni teooria otsimise teeb keeruliseks asjaolu, et gravitatsiooni kvantomadused ei avaldu kunagi reaalses kogemuses. Füüsikud ei näe, kuidas rikutakse Einsteini kirjeldust sujuva aegruumi kontiinumi kohta või Bronsteini kvantlähendamist veidi kõveras olekus.

Probleemiks on gravitatsioonijõu äärmine nõrkus. Kui tugevaid, nõrku ja elektromagnetilisi jõude edastavad kvantiseeritud osakesed on nii tugevad, et seovad ainet tihedalt aatomiteks ja neid saab sõna otseses mõttes luubi all uurida, siis üksikud gravitonid on nii nõrgad, et laboritel pole võimalust neid tuvastada. Et gravitoni kinni püüda oleks suur, peaks osakestedetektor olema nii suur ja massiivne, et see mustaks auguks kokku variseb. See nõrkus selgitab, miks on vaja astronoomilisi massikuhjumisi, et mõjutada gravitatsiooni kaudu teisi massiivseid kehasid ja miks me näeme gravitatsiooniefekte tohutul skaalal.

See pole veel kõik. Universum näib alluvat mingisugusele kosmilisele tsensuurile: tugeva gravitatsiooniga piirkonnad – kus aegruumi kõverad on nii teravad, et Einsteini võrrandid lagunevad ning tuleb paljastada gravitatsiooni ja aegruumi kvantloomus – varitsevad alati mustade aukude horisontide taga.

"Isegi paar aastat tagasi valitses üldine üksmeel, et gravitatsioonivälja kvantifitseerimist on tõenäoliselt võimatu mingil viisil mõõta," ütleb Harvardi ülikooli teoreetiline füüsik Igor Pikovsky.

Nüüd on mitmed hiljutised Physical Review Lettersis avaldatud artiklid seda muutnud. Need paberid väidavad, et kvantgravitatsioonini võib olla võimalik jõuda isegi ilma sellest midagi teadmata. Sugato Bose Londoni ülikooli kolledžist ning Chiara Marletto ja Vlatko Vedral Oxfordi ülikoolist pakuvad välja tehniliselt keerulise, kuid teostatava katse, mis võib kinnitada, et gravitatsioon on kvantjõud nagu kõik teisedki, ilma et oleks vaja gravitoni tuvastada. . Miles Blencowe, Dartmouthi kolledži kvantfüüsik, kes selles töös ei osalenud, ütleb, et selline eksperiment võib paljastada nähtamatu kvantgravitatsiooni selge tunnuse – "Cheshire'i kassi naeratuse".

Kavandatava katsega tehakse kindlaks, kas kaks objekti - Bose'i rühm kavatseb kasutada paari mikroteemante - võivad vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe kaudu üksteisega kvantmehaaniliselt takerduda. Põimumine on kvantnähtus, milles osakesed põimuvad omavahel lahutamatult, jagades ühtset füüsilist kirjeldust, mis määratleb nende võimalikud kombineeritud olekud. (Erinevate võimalike olekute kooseksisteerimist nimetatakse "superpositsiooniks" ja see määratleb kvantsüsteemi.) Näiteks võib paar takerdunud osakesi eksisteerida superpositsioonis, kus osakesel A on 50% tõenäosus pöörlema ​​alt üles ja osake B pöörleb ülalt alla ja 50% tõenäosusega vastupidi. Keegi ei tea ette, millise tulemuse saad osakeste pöörlemissuunda mõõtes, kuid võid kindel olla, et see on ka nende puhul sama.

Autorid väidavad, et kavandatud katses olevad kaks objekti võivad sel viisil takerduda ainult siis, kui nende vahel mõjuv jõud - antud juhul gravitatsioon - on gravitonide vahendatud kvantinteraktsioon, mis võib toetada kvantsuperpositsioone. "Kui katse tehakse ja takerdumine saavutatakse, võime vastavalt tööle järeldada, et gravitatsioon on kvantiseeritud," selgitas Blencowe.

Aja teemant segadusse

Kvantgravitatsioon on nii peen, et mõned teadlased on selle olemasolus kahelnud. Tuntud matemaatik ja füüsik Freeman Dyson (94) on alates 2001. aastast väitnud, et universum võib toetada omamoodi "dualistlikku" kirjeldust, milles "Einsteini üldrelatiivsusteoorias kirjeldatud gravitatsiooniväli oleks puhtalt klassikaline väli ilma igasuguse kvantkäitumiseta". , samas kui kogu mateeria selles sujuvas aegruumi kontiinumis kvantifitseeritakse osakeste abil, mis järgivad tõenäosuse reegleid.

Dyson, kes aitas välja töötada kvantelektrodünaamikat (aine ja valguse vastastikmõjude teooria) ning on New Jerseys Princetonis asuva Kõrgkoolide Instituudi emeriitprofessor, ei usu, et kvantgravitatsioon on vajalik mustade aukude ligipääsmatute sisemuste kirjeldamiseks. . Ja ta usub ka, et hüpoteetilise gravitoni tuvastamine võib olla põhimõtteliselt võimatu. Sel juhul oleks kvantgravitatsioon tema sõnul metafüüsiline, mitte füüsiline.

Ta pole ainus skeptik. Kuulus inglise füüsik Sir Roger Penrose ja Ungari teadlane Lajos Diosi pakkusid sõltumatult välja, et aegruum ei suuda superpositsioone toetada. Nad usuvad, et selle sujuv, jäik, põhimõtteliselt klassikaline olemus ei lase sellel painduda korraga kaheks võimalikuks teeks – ja just see jäikus viib kvantsüsteemide, nagu elektronide ja footonite, superpositsioonide kokkuvarisemiseni. "Gravitatsiooniline dekoherents" võimaldab nende arvates tekkida ühtset, kindlat klassikalist reaalsust, mida saab tunda makroskoopilisel skaalal.

Võimalus leida kvantgravitatsiooni "naeratus" näib Dysoni argumendi ümber lükkavat. Samuti tapab see gravitatsioonilise dekoherentsi teooria, näidates, et gravitatsioon ja aegruum toetavad tegelikult kvantsuperpositsioone.

Bose ja Marletto ettepanekud ilmusid samaaegselt ja täiesti juhuslikult, kuigi eksperdid märgivad, et need peegeldavad aja vaimu. Eksperimentaalsed kvantfüüsika laborid üle maailma panevad üha suuremaid mikroskoopilisi objekte kvantsuperpositsioonidesse ja optimeerivad protokolle kahe kvantsüsteemi põimumise testimiseks. Kavandatav katse peaks neid protseduure kombineerima, nõudes samal ajal mastaabi ja tundlikkuse edasist parandamist; võib-olla läheb selleks kümme aastat. "Kuid füüsilist ummikteed pole," ütleb Pikovsky, kes uurib ka seda, kuidas saaks laborikatsete abil gravitatsiooninähtusi sondeerida. "Ma arvan, et see on raske, kuid mitte võimatu."

Seda plaani on üksikasjalikumalt kirjeldatud Bose jt töös – Ocean's Eleven Experts for Different Stages of Proposal. Näiteks töötab kaasautor Gavin Morley oma Warwicki ülikooli laboris esimese sammu kallal, proovides panna mikroteemanti kahes kohas kvantsuperpositsiooni. Selleks piirab ta mikroteemandis lämmastikuaatomi, mis asub teemantstruktuuri vaba koha kõrval (nn NV keskus ehk lämmastikuga asendatud vaba koht teemandis) ja laeb seda mikrolaineimpulsiga. NV-keskme ümber pöörlev elektron neelab samaaegselt valgust ja ei tee seda ning süsteem läheb kahe pöörlemissuuna – üles ja alla – kvantsuperpositsioonile nagu tipp, mis pöörleb teatud tõenäosusega päripäeva ja teatud tõenäosusega vastupäeva. Selle superpositsiooni spinniga laetud mikroteemant on allutatud magnetväljale, mis põhjustab ülemise spinni liikumise vasakule ja alumise spinni liikumise paremale. Teemant ise jaguneb kahe trajektoori superpositsiooniks.

Täiseksperimendis teeksid teadlased seda kõike kahe teemandiga – näiteks punase ja sinise –, mis asetaksid kõrvuti ülikülmas vaakumis. Kui neid hoidev lõks on välja lülitatud, kukuvad kaks mikroteemanti, kumbki kahes asendis superpositsioonis, vaakumis vertikaalselt. Kui teemandid langevad, tunnevad nad igaühe raskust. Kui tugev on nende gravitatsioon?

Kui gravitatsioon on kvantjõud, on vastus: see sõltub. Sinise teemandi superpositsiooni iga komponent kogeb tugevamat või nõrgemat külgetõmmet punase teemandi poole, olenevalt sellest, kas viimane asub superpositsiooni harus, mis on lähemal või kaugemal. Ja gravitatsioon, mida punase teemandi superpositsiooni iga komponent tunneb, sõltub samamoodi sinise teemandi olekust.

Igal juhul mõjutab teemandi superpositsioonide arenevaid komponente erineva raskusastmega gravitatsiooniline külgetõmme. Need kaks teemanti muutuvad üksteisest sõltuvaks, kuna nende olekuid saab määrata ainult kombinatsioonis – kui see seda tähendab –, nii et lõpuks korreleeruvad kahe NV-keskmete süsteemi pöörlemissuunad.

Pärast seda, kui mikroteemandid kukuvad kõrvuti kolm sekundit – piisavalt kaua, et takerduda gravitatsiooniga – läbivad nad teise magnetvälja, mis viib iga superpositsiooni oksad uuesti kokku. Katse viimane etapp on Taani füüsiku Barbara Therali ja teiste poolt välja töötatud takerdumise tunnistaja protokoll: sinised ja punased teemandid sisenevad erinevatesse seadmetesse, mis mõõdavad NV-kesksüsteemide pöörlemissuundi. (Mõõtmine põhjustab superpositsioonide kokkuvarisemist teatud olekutesse.) Seejärel võrreldakse kahte tulemust. Ikka ja jälle katset tehes ja paljusid spinnimõõtmiste paare võrreldes saavad teadlased kindlaks teha, kas kahe kvantsüsteemi spinnid korreleerusid tegelikult sagedamini kui ülempiir objektide puhul, mis pole kvantmehaaniliselt põimunud. Kui jah, siis tegelikult takerdub gravitatsioon teemandid ja võib toetada superpositsioone.

"Selle katse juures on huvitav see, et te ei pea teadma, mis on kvantteooria," ütleb Blencowe. "Kõik, mida on vaja, on öelda, et sellel piirkonnal on mingi kvantaspekt, mida vahendab kahe osakese vaheline jõud."

Tehnilisi raskusi on palju. Suurim objekt, mis oli varem kahes kohas superpositsiooni pandud, oli 800-aatomiline molekul. Iga mikroteemant sisaldab rohkem kui 100 miljardit süsinikuaatomit – piisav, et koguneda märgatav gravitatsioonijõud. Selle kvantmehaanilise olemuse lahtipakkimine nõuab madalat temperatuuri, sügavat vaakumit ja täpset juhtimist. "Algse superpositsiooni käivitamine ja käivitamine nõuab palju tööd," ütleb Peter Barker, kes on laserjahutuse ja mikroteemantide püüdmise tehnikaid täiustava eksperimentaalse meeskonna liige. Kui seda saaks teha ühe teemandiga, lisab Bose: "teine ​​poleks probleem."

Mis on gravitatsioonis ainulaadne?

Kvantgravitatsiooni uurijad ei kahtle, et gravitatsioon on kvantinteraktsioon, mis võib põhjustada takerdumist. Muidugi on gravitatsioon mõnevõrra ainulaadne ning ruumi ja aja päritolu kohta on veel palju õppida, kuid kvantmehaanika peaks kindlasti olema kaasatud, väidavad teadlased. "Tõesti, mis mõte on teoorial, kus suurem osa füüsikast on kvant- ja gravitatsioon klassikaline," ütleb MIT-i kvantgravitatsiooni uurija Daniel Harlow. Teoreetilised argumendid kombineeritud kvantklassikaliste mudelite vastu on väga tugevad (kuigi mitte lõplikud).

Teisest küljest on teoreetikud varemgi eksinud. "Kui saate seda kontrollida, siis miks mitte? Kui see vaikib need inimesed, kes seavad kahtluse alla gravitatsiooni kvantloomuse, oleks see suurepärane, ”ütleb Harlow.

Pärast paberite lugemist kirjutas Dyson: "Kavandatud katse pakub kindlasti suurt huvi ja nõuab läbiviimist tõelise kvantsüsteemi tingimustes." Samas märgib ta, et autorite mõttekäigud kvantväljade kohta erinevad tema omast. "Mulle pole selge, kas see eksperiment suudab lahendada kvantgravitatsiooni olemasolu küsimuse. Küsimus, mille esitasin – kas vaadeldakse ühte gravitoni – on erinev küsimus ja sellele võib olla erinev vastus.

Bose, Marletto ja nende kolleegide mõttekäik kvantiseeritud gravitatsioonist tuleneb Bronsteini tööst juba 1935. aastal. (Dyson nimetas Bronsteini tööd "ilusaks teoseks", mida ta polnud varem näinud). Eelkõige näitas Bronstein, et väikese massi tekitatud nõrka gravitatsiooni saab lähendada Newtoni gravitatsiooniseadusega. (See on jõud, mis toimib mikroteemantide superpositsioonide vahel). Blencowe sõnul pole nõrga kvantiseeritud gravitatsiooni arvutusi eriti tehtud, kuigi need on kindlasti asjakohasemad kui mustade aukude või Suure Paugu füüsika. Ta loodab, et uus eksperimentaalne ettepanek julgustab teoreetikuid otsima Newtoni lähenduses peeneid täpsustusi, mida tulevased lauakatsed võiksid katsetada.

Stanfordi ülikooli tunnustatud kvantgravitatsiooni ja stringiteoreetik Leonard Susskind nägi kavandatud katse väärtust, kuna "see pakub gravitatsioonivaatlusi uues masside ja kauguste vahemikus". Kuid tema ja teised teadlased rõhutasid, et mikroteemandid ei suuda kvantgravitatsiooni ega aegruumi täieliku teooria kohta midagi paljastada. Tema ja ta kolleegid tahaksid mõista, mis toimub musta augu keskel ja Suure Paugu hetkel.

Võib-olla on üks vihje, miks gravitatsiooni kvantifitseerimine on palju raskem kui miski muu, see, et teistel loodusjõududel on nn lokaalsus: kvantosakesed välja ühes piirkonnas (näiteks fotonid elektromagnetväljas) on "sõltumatud teised füüsilised üksused teises ruumipiirkonnas," ütleb Briti Columbia ülikooli kvantgravitatsiooni teoreetik Mark van Raamsdonk. "Kuid on palju teoreetilisi tõendeid selle kohta, et gravitatsioon nii ei tööta."

Kvantgravitatsiooni parimates liivakastimudelites (lihtsustatud aegruumi geomeetriaga) on võimatu eeldada, et aegruumi kanga lint on jagatud iseseisvateks kolmemõõtmelisteks tükkideks, ütleb van Raamsdonk. Selle asemel viitab kaasaegne teooria, et ruumi aluseks olevad põhikomponendid on "pigem kahemõõtmeliselt organiseeritud". Ajaruumi kangas võib olla nagu hologramm või videomäng. "Kuigi pilt on kolmemõõtmeline, salvestatakse teave kahemõõtmelisele arvutikiibile." Sel juhul oleks kolmemõõtmeline maailm illusioon selles mõttes, et selle erinevad osad pole nii iseseisvad. Videomängude analoogia kohaselt võivad kahemõõtmelise kiibi mõned bitid kodeerida kogu mänguuniversumi globaalseid funktsioone.

Ja see erinevus on oluline, kui proovite luua gravitatsiooni kvantteooriat. Tavaline lähenemine millegi kvantiseerimiseks on tuvastada selle sõltumatud osad – näiteks osakesed – ja seejärel rakendada neile kvantmehaanika. Kuid kui te ei määratle õigeid komponente, saate lõpuks valede võrranditega. Kolmemõõtmelise ruumi otsene kvantiseerimine, mida Bronstein teha tahtis, toimib teatud määral nõrga gravitatsiooniga, kuid osutub kasutuks, kui aegruum on väga kõver.

Mõned eksperdid väidavad, et kvantgravitatsiooni "naeratuse" tunnistamine võib tekitada motivatsiooni selliseks abstraktseks arutluskäiguks. Eksperimentaalsed faktid ei toeta ju ka kõige valjemaid teoreetilisi argumente kvantgravitatsiooni olemasolu kohta. Kui van Raamsdonk teaduslikul kollokviumil oma uurimistööd selgitab, algab see tema sõnul tavaliselt looga sellest, kuidas gravitatsioon tuleb kvantmehaanikaga ümber mõelda, sest klassikaline aegruumi kirjeldus laguneb mustade aukude ja Suure Pauguga.

"Kuid kui teete selle lihtsa katse ja näitate, et gravitatsiooniväli oli superpositsioonis, ilmneb klassikalise kirjelduse ebaõnnestumine. Sest toimub eksperiment, mis viitab sellele, et gravitatsioon on kvant."

Ajakirja Quanta materjalide põhjal