Кванттық физика туралы әр адам білуі тиіс алты мәлімет

Кванттық физика туралы естіп көрмеген адамды мұның атауының өзі-ақ шошытады. Ол тіпті күнделікті қолданып жүрсе де, кейбір физиктер үшін де біртүрлі, ақылға сиымсыз көрінуі мүмкін. Бірақ, ол соншалықты түсініксіз емес. Егер сізді кванттық физика шынымен де қызықтыратын болса, онда негізгі алты түсінікті ойыңыздан шығармаңыз. Олардың кванттық құбылыстармен байланысы жоқ деуге болады және олар ойдан шығарылған тәжірибелер де емес. Бірақ оны жақсылап ұғып алсаңыз, кванттық физиканы түсіну анағұрлым оңай болмақ.

Бәрі толқыннан тұрады. Бөлшектер де

Біздің бүкіл ғалам бір мезетте бөлшектік және толқындық қасиетке ие. Оны ерекшелеп айтсақ, былай болар еді: «Осының бәрі толқындар, тек қана толқындар». Бұл кванттық физика үшін әдемі теңеу болған сияқты. Шынымен де, мына ғаламның бәрі толқындық қасиетке ие. Әрине, ғаламның бөлшектік те қасиеті бар. Бұл біртүрлі естілетін шығар, бірақ тәжірибе соны көрсетті. 

Шынайы нысандарды бір мезетте бөлшек және толқын ретінде сипаттау нақты болмас еді. Негізі, кванттық физикамен сипатталатын нысандар бөлшек те, толқын да емес. Оны толқындық (кеңістікте таралумен бірге толқын жиілігі мен ұзындығы бар) және аздаған бөлшектік (оларды санауға және белгілі бір дәрежеде шектеуге болады) қасиеті бар үшінші санатқа жатқызуға болады. Бұл «Жарықты бөлшек ретінде қарастыру дұрыс па?» деген тақырыпта физика қауымдастығында тартысты пікірталастың туындауына себепші болар еді. Бұл пікірталастың туындауына жарықтың бөлшектік қасиеті болуы қайшылық тудырғандықтан емес, фотондарды «кванттық өрістің қозуы» емес, «бөлшектер» деп атау себеп болатыны анық. Бұл студенттердің басын қатыратын мәселе болар еді. Қысқасы, бұл электрондарды бөлшек деп атауға бола ма деген мәселеге де қатысты. Бірақ, ондай пікірталас тек академиялық ортада ғана көтеріледі.

Кванттық нысандардың «үшінші» табиғаты кванттық құбылысты зерттейтін физиктердің де әңгімесінің өзегі болады. Хиггс бозоны Үлкен адрономды коллайдерде бөлшек ретінде анықталған еді. Бірақ, сіздер барлық кеңістікті толтыратын шектелмеген заттар туралы «Хиггс өрісі» деген сөз тіркесін естіген боларсыз? Бұлай болу себебі, бөлшектердің соқтығысуы сияқты тәжірибелер жағдайында бөлшектердің сипатын анықтағаннан гөрі Хиггс өрісінің қозуын талқылаған әлдеқайда ақылға қонымды болар еді. Ал анықталған бөлшектердің массасы бар деген мәселені жалпы талқылау сияқты басқа жағдайда, физиканы термин тілінде ғаламдық масштабтың кванттық өріспен өзара әсерлесуі ретінде түсіндірген оңай болар еді. Бұл бірдей математикалық нысандарды сипаттайтын әртүрлі тілдер.

Кванттық физика дискретті

Физика тіліндегі «квантум» сөзі латынның «қанша» деген сөзінен шыққан және кванттық үлгілердің қашан да дискреттік өлшемдегі бірнәрселерден тұратынын білдіреді. Кванттық өрістегі энергия қандай да бір негізгі энергияның еселенген өлшемінде келеді. Жарық үшін мұны жарық толқынының жиілігімен және ұзындығымен байланыстыруға болады. Қысқа толқынды жиілігі жоғары жарықтың энергиясы жоғары. Ал ұзын толқынды жиілігі аз жарыққа аз энергия тиеселі. 

Екі жағдайда да белгілі жарық өрісіндегі толық энергия осы энергияға бүтін санмен еселенген  - 1, 2, 14, 137 есе. Мұнда бір жарым, «пи» немесе квадраттық түбір сияқты үлестерді кездестіру мүмкін емес. Мұндай қасиет атомдардың дискретті энергетикалық деңгейлерінде де кездеседі. Энергетикалық аймақтар нақты – энергияның кейбір өлшемдерін жіберсе, кейбірін жібермейді. Атомдық сағаттар уақытты «екінші секірісті» жүзеге асыруға қажетті деңгейде ұстап тұратын цезийдің рұхсат етілген екі күйінің арасындағы ауысуға байланысты жарық жиілігін пайдаланып, кванттық физиканың дискреттілігі себепті жұмыс істейді.

Аса дәл спектроскопия қара материя сияқты заттарды іздестіруге және төменгі энергетикалық іргелі физика институтының жұмысын ынталандыру үшін керек.

Бұл әрқашан анық бола бермейді. Тіпті, қара дененің сәуле шығаруы сияқты негізінен квантты болып табылатын нәрселер үздіксіз таратуға байланысты. Бірақ, алдағы зерттеулерде және математиканы жақсылап қолдануда кванттық теория одан әрі біртүрлі бола түседі. 

Кванттық физика – ықтымалдық 

Кванттық физиканың ең ғажайып және (ең болмағанда, тарихи) қайшылыққа толы қырларының бірі бір тәжірибенің кванттық жүйемен аяқталуын сенімді түрде айту мүмкін емес. Физиктер белгілі бір тәжірибенің соңы туралы болжам айтқанда олардың болжамдары нақты мүмкін болатын нәтижелердің ықтималдығы түрінде болады. Ал теория мен тәжірибені салыстыру қашан да көптеген қайталанған тәжірибелердің ықтималдықтарын таратудан шығады. 

Кванттық физиканың математикалық сипаты әдетте «толқындық функция» түрінде болады және теңдеулерде гректің пси Ψ әріпімен белгіленеді. Толқындық функция деген нақты не нәрсе деген көптеген пікірталастар жүреді. Ол физиктерді екі топқа бөлді: толқындық функцияны нақты физикалық зат ретінде (онтикалық теоретиктер) көретіндер мен толқындық функцияны тек қана белгілі бір квантық нысанның төменгі күйде жатқанынан қарамастан, біздің біліміміздің (немесе білімнің болмауын) көрінісі (эпистемикалық теоретиктер) ретінде қабылдайтындар. 

Негізі қаланған үлгінің әр класында нәтижені табу ықтималдығы толқындық функциямын тікелей табылмайды, квадраттық толқындық функциямен (қысқаша айтқанда, дәл соның өзі; толқындық функция – бұл күрделі математикалық нысан (демек, квадраттық түбір немесе оның теріс мәні сияқты елестетуге болатын сандардан тұрады) және ықтималдықты алу операциясы аздап күрделілеу, бірақ «толқындық функцияның квадраты» идеяның негізгі мәнін түсінуге жеткілікті). Бұл оны алғаш шешкен (оның 1926-жылғы жұмысының  нұсқасында) және көптеген адамды шешімнің сиықсыз түрімен таңқалдырған неміс физигі Макс Борнның құретіне аталған Борн ережесі ретінде белгілі. Борн ережесін іргелі қағидалардан шығаруда белсенді жұмыстар атқарылуда. Бірақ, ғылым үшін қызықты мәселелердің басын ашқанымен, әзірге олардың бір де бірі сәтті аяқталған жоқ.

Теорияның бұл аспектісі бір мезетте көптеген күйде болатын бөлшектерге алып келеді. Біз тек бұл ықтималдық және нақты нәтиже алмас бұрынғы өлшеуге дейін өлшенетін жүйе аралық күйде – барлық мүмкін ықтималдықтарды қамтитын суперпозиция күйінде болады деп болжам жасай аламыз. Ал жүйе шынымен де көптеген күйде бола ма әлде бір белгісіз күйде бола ма – ол сіздің онтикалық немесе эпистемикалық үлгінің қайсын жақтайтыныңызға байланысты. Мұның екеуі де бізді келесі бөлімге алып келеді.

Кванттық физика жергілікті емес

Эйнштейннің физикаға қосқан ең соңғы үлкен үлесі ол қателескендіктен кеңінен тарала қоймады. 1935-жылғы жұмысында жас серіктестестері Борис Подолький мен Натан Розенмен (ЭПР жұмысы) бірлесіп, Эйнштейн біз «қиюы қашқан» деп атайтын, өзін біраз уақыт әуреге салған бірнәрсенің нақты математикалық түсіндірмесін ұсынды.  

ЭПР жұмысы кванттық физика өте алыстатылған жерлерде жасалған өлшемдер біреуінің соңғысы екіншісінен басып озатындай ара қатынаста бола алатын жүйенің болуын мойындады. Олар өлшем нәтижелері қандай да бір жалпы фактормен алдын-ала анықталған болу керек деп тұжырымдады. Өйткені, басқа жағдайда бір өлшемнің нәтижесін басқасына ауыстыру үшін жарық жылдамдығынан да артық жылдамдық керек болар еді. Осыдан шығатыны, кванттық физика толық болмауы керек, ол тереңірек теорияға (бөлек өлшемдердің нәтижелері өлшем жүргізетін жерден алыста тұрған тұрған жарық жылдамдығымен зулап келе жатқан (жергілікті) дыбысты жауып тастайындай бірнәрсеге тәуелді болмауы керек, керісінше, шатасқан жұптағы екі жүйеге де ортақ қандай да бір фактормен (жабық айнымалы) анықталатын «жабық жергілікті айнымалы» теориясы) жуықтау болуы керек.  

Осының бәрі 30 жылдан аса түсініксіз нұсқама болып келді. Оған ешкім де сенбеді. Бірақ 60-жылдардың ортасында ирландиялық физик Джон Белл ЭПР жұмысының салдарын егжей-тегжейлі зерттеді. Белл кванттық механика  Э, П және Р ұсынған кез келген мүмкін болатын теориядан күштірек болатын алыстатылған өлшемдер арасындағы корреляцияны болжайтын  жағдайды таба алатынымызды көрсетті. Мұны тәжірибе жүзінде 70-жылдары Джон Кложер мен 80-жылдар басында Ален Аспект тексерді. Олар осы шатасқан жүйелер ешқандай жергілікті жабық айнымалы теориясымен ықтималды түрде түсіндірілмейтінін көрсетті. 

Осы нәтижені түсіну үшін ең кең тараған қадам кванттық механика жергілікті емес деген болжамға саяды. Белгілі бір жерде атқарылған өлшеу нәтижелері алыстатылған нысанның қасиетін байланысты болуы мүмкін, сондықтан мұны жарық жылдамдығымен қозғалып келе жатқан дабылдарды пайдаланын түсіндіруге болмайды. Қысқасы, осы шектеуді кванттық механика арқылы айналып өтпек болған көптеген талпыныстардың болғанына қарамастан, ақпаратты аса жоғары жарық жылдамдығымен жіберу мүмкін емес.

Кванттық физика (қашан да дерлік) аз нәрселермен байланысты

Кванттық физиканың беделі біртүрлі. Өйткені ол туралы болжамдар біздің күнделікті тәжірибелерімізден бөлек. Бұлай болу себебі, нысан үлкен болған сайын оның әсері де аз көрініс табады. Бөлшектің толқындық әрекетін қарастырған кезде уақыт ұзарған сайын толқын ұзындығының қысқарғанын байқауыңыз мүмкін емес. Жүріп бара жатқан төбет сияқты макроскопиялық нысанның толқын ұзындығы күлкіні келтіретіндей мырдымсыз. Егер сіз бөлмедегі әр атомды Күн жүйесінің өлшеміне дейін үлкейтсеңіз, төбеттің толқын ұзындығы осындай Күн жүйесіндегі бір атомның өлшеміндей болар еді. 

Демек, кванттық құбылыс негізінен көп жағдайда массасы мен үдеуі айтарлықтай аз атомдар мен негізгі бөлшектердің масштабтарымен шектелген. Мұндай кезде толқын ұзындығының кіші болғаны сонша, оны тікелей бақылау мүмкін емес. Қысқасы, кванттық әсерді көрсететін жүйенің өлшемін үлкейту үшін өте көп күш салу керек болар еді.

Кванттық физика сиқыр емес

Алдыңғы бөлімдерден түйгеніміз, кванттық физика қаншалықты біртүрлі көрінгенімен, оның ешқандай да сыйқыр емес екені анық. Ол күнделікті физика өлшемдеріне келмейтін сипаттамасына қарамастан, түсінікті математикалық ережелермен және қағидалармен шектелген. Сондықтан, егер сізге біреу мүмкін еместей көрінетін шексіз энергия, сыйқырлы емдеу күші, ғажайып ғарыштық қозғалтқыштар сияқты біртүрлі «кванттық» ойлармен келген болса, олардың мүмкін болмауы да әбден мүмкін. Бірақ, бұл біз мүмкін емес нәрселерді жасау үшін квантық физиканы қолдана алмаймыз дегенді білдірмейді. Біз кванттық құбылыстарды пайдалану арқылы таңғажайып жетістіктерге жеткеніміз туралы аз жазып жатқан жоқпыз. Олар тіпті адамзатты таң қалдыратын деңгейге жетті. Демек, біз термодинамика заңдары мен ақыл-ойдың шегінен шыға алмаймыз.

Дереккөз: bilim-all.kz