The Quantum Experiment that Broke Reality | Space Time | PBS Digital Studios

(Hraje hudba) Tato episoda je sponzorována The Great Courses Plus. Jeden z nejpodivnějších experimentálních výsledků, který byl kdy zaznamenán, musí být dvojštěrbinový experiment. Je to jedna z nejúžasnějších ilustrací toho, jak je kvantový svět velmi,velmi odlišný od světa ve velkém měřítku který intuitivně vnímáme. Vlastně napovídá, že fundamentální povaha přirozené reality nemusí být vůbec fyzická, alespoň ve smyslu, který je pro nás známý. (Úvodní znělka) Začněme s něčím známým. Vlastně začněme s gumovou kachničkou. Poskakuje nahoru a dolů v bazénku a tím působí periodické vlnění, které se šíří všude okolo. Po nějaké vzdálenosti se tyto vlny setkají s bariérou, která má v sobě vyříznuté dvě štěrbiny. Většina vlny je zablokována, ale části vlnění projdou skrz štěrbiny. Když se vlnění začne navzájem překrývat, tak vytvoří tento opravdu cool vzorec. Říká se mu “interferenční vzor”. Je to pro to, že na některých místech se vrchol vlnění z jedné štěrbiny naskládá na vrchol z druhé štěrbiny a tím vytvoří více extrémní vrchol. Také dostaneme extrémnější poklesy dvě spodní hladiny překryjí. Tomu říkáme “konstruktivní rušení”. Ale když se setká vrchol jedné vlny se spodní hladinou druhé vlny, tak se společně vyruší a nezůstane nic, “destruktivní rušení”. Takže máme tyto měnící se stopy vln a rovné vodní hladiny. Každý typ vlnění by měl vytvořit tyto vzorce rušení, jako například vodní vlny a zvukové vlny, ale také vlny světelné. Dvojštěrbinové rušení světla bylo poprvé pozorováno Thomasem Youngem v roce 1801. Zdroj světla, který prochází dvěma velmi úzkými štěrbinami vytvoří skupiny světlých a tmavých pruhů, kvůli konstruktivnímu a destruktivnímu rušení, na obrazovce. Samozřejmě víme, že světlo je vlna v elektromagnetickém poli a to díky práci Jamese Clerk Maxwella z minulého století. Takže to dává perfektní smysl, že vzniká přesně takový vzorec rušení, že? Ale počkat, také víme, že světlo přichází v nedělitelných malých balíčcích elektromagnetické energie nazývané “fotony”. Einstein toto demonstroval skrze fotoelektrický efekt, nicméně jeho nápad přišel z kvantifikovaných energetických úrovní zákona Maxe Plancka “black body” radiace. Podívejte se na naší epizodu na toto téma, pokud chcete znát detaily. OK. Takže každý foton je malý balíček vln, vln elektromagnetického pole, a každý tento balíček nemůže být rozdělen na menší části. To znamená, že každý foton by se měl rozhodnout, zda-li projde první štěrbinou, anebo tou druhou. Nemůže se rozdělit na půlku a na druhé straně se pak zase složit. To by neměl být problém pokud máme alespoň dva fotony. Každou štěrbinou projde jeden foton a potom na sebe tyto dva fotony vzájemně působí na druhé straně. a tím vytváří vzorec rušení. Ale je to právě tady, kde jsme získali ty nejbláznivější experimentální výsledky v celé fyzice. Vzorec rušní se objeví i v případě, že střílíme tyto fotony po jednom. Trochu se vrátíme zpět. První foton je detekován , když dorazí na velmi konkrétní místo na obrazovce. Druhý, třetí a čtvrtý foton také – doručí svou energii do jednoho bodu. a tak se zdá, že se chovají jako částice, které mají jasně určenou pozici. Ale sledujte. Pokud dál střílíme tyto jednotlivé fotony, začne se objevovat vzorec rušení znovu. Mimochodem – Veritasium (youtube kanál) provedl tento experiment ve své úžasné sérii videí o dvojštěrbinovém experimentu – vážně to stojí za shlédnutí. Celé je to velmi bizarní. Tento vzorec nemá nic co do činění s tím, že energie každého fotonu se rozprostře, jako to bylo v případě vodní vlny. Každé foton uvolní veškerou svou energii v jednom bodě. Ne, vzorec se objevuje v rámci distribuce finálních pozic mnoha na sobě nezávislých fotonů. Jak je to možné? Každý foton nemá představu o tom, kde přistál předchozí foton, anebo kde budoucí fotony teprve dopadnou. Každý foton dopadne na obrazovky se znalostí toho, které regiony jsou nejpravděpodobnější dopadová místa a které jsou nejméně pravděpodobná místa dopadu. Zná vzorec rušení čisté vlny , která prošla oběma štěrbinami najednou a vybere si svůj přistávací bod na tomto základě. Ukázalo se, že foton není jedinou věcí , která toto dělá. Střelte jeden elektron párem štěrbin a také to bude vypadat, že dopadl na jedno místo na obrazovce, ale vystřelte mnoho elektronů a oni pomalu vytvoří stejné vzorec rušení. Tento bláznivý efekt byl pozorován i s celými atomy a dokonce i s celými molekulami. Buckminsterfullerene, buckyballs, jsou gigantické sférické molekuly šedesáti atomů uhlíku a byly pozorovány, že vytváří dvojštěrbinové rušení za speciálních podmínek. Musíme tak nutně dojít k závěru, že každý individuální foton, elektron, anebo buckyball cestují skrz obě štěrbiny najednou jako nějaký druh vlny. Tato vlna pak působí sama na sebe a vytváří vzorec rušení, až na to, že zde jsou vrcholy vzorce regiony, které mají větší šanci , že se tam částice objeví. Vypadá to jako vlna možných nedefinovaných pozic, která se v nějakém bodě, z nějakého důvodu rozhodně pro jednu konkrétní pozici. Také jsme tuto vlnovitost pozic viděli , když jsme mluvili o kvantovém tunelování. Ve skutečnosti několik kvantových vlastností jako je hybnost, energie a rotace, vykazují podobnou vlnovitost v různých situacích. Matematický popis této vlnové distribuce vlastností nazýváme “vlnovou funkcí”. Popis chování vlnové funkce je srdcem kvantové mechaniky. Ale co vlastně vlnová funkce reprezentuje? Z čeho nebo v čem jsou tyto vlny? Začněme s tím, co víme z výsledků dvojštěrbinového experimentu. Víme, kde se částice nachází na obou koncích. Začíná tam, kam postavíme laserový nebo elektronový kanón nebo buckyball trebuchet a zároveň vypustí svou energii na dobře definovaném místě na obrazovce. Takže částice vypadá jako více “částicová” na obou koncích, ale je více vlnová v mezidobí. Tato vlna má informace o všech možných finálních pozicích částice, ale také o všech možných pozicích během každého stádia svého putování. Ve skutečnosti musí vlna mapovat všechny možné cesty, kterými se může částice vydat. Máme zde rodinu možných trajektorií od začátku až do konce a z nějakého důvodu, když vlna dorazí k obrazovce, tak se rozhodne pro finální umístění a to implikuje výběr z těchto možných cest. Takže co způsobí přechod mezi vlnou mnoha možností a dobře definovanou věcí na konkrétním místě? Během tajuplného trvání mezi vznikem a detekcí, je vůbec částice něco jiného než jen prostorem možností? Ok. Přidáváme více otázek, než na které odpovídáme. Stále nemůžeme zjisti z čeho je vlna. Ve skutečnosti odpověď nikdo nezná, ale mnohé interpretace kvantové mechaniky se snaží. Pojďme si promluvit o pohledu preferovaném Wernerem Heisenbergem a Nielsem Bohrem, kteří byli pionýry kvantové mechaniky na Kodaňské Univerzitě ve 20. letech 20. století. Kodaňská interpretace říká , že vlnová funkce nemá fyzickou povahu. Místo toho se sestává z čisté možnosti. Předpokládá, že částice procházející dvojštěrbinovým experimentem existuje jenom jako vlna možných lokací, které zahrnují doslova všechny možné cesty. Jenom ve chvíli, kdy detekujeme částici, tak umístění a cesta, kterou si částice vybrala, jsou rozhodnuty. Kodaňská interpretace nazývá tento přechod od prostoru možností k definovanému setu vlastností jako “kolaps vlnové funkce”. Říká nám, že je nesmyslné zkusit definovat vlastnosti částice dříve než proběhne tento kolaps. Je to jakoby vesmír povolil všechny možnosti existence najednou, ale zároveň zadržuje rozhodnutí, která z možností platí a to až do poslední chvíle. Podivnější je, že tyto možné cesty, tyto možné reality, se vzájemně ovlivňují. Tato interakce zvyšuje šanci některých cest a ty se pak stávají reálnější a snižuje šance jiných cest. Existuje tak interakce mezi možnými realitami, která je nakonec viděna jako distribuce finálních pozic v rámci vzorce rušení. Tento vzorec je reálný, ačkoliv velká většina cest, zapojených do vytvoření rušení, nikdy nedosáhne reality. V rámci Kodaňské interpretace ,že finální rozhodnutí experimentu vesmíru je fundamentálně náhodné v rámci omezení finální vlnové funkce. Teorie kvantové mechaniky produkuje neuvěřitelně přesné predikce reality a je plně konzistentní s Kodaňskou interpretací, ale zároveň to není jediná interpretace, která funguje. Existují interpretace, které dávají vlnové funkci fyzikální podstatu. Pamatujte, že víme, že světlo je vlna v elektromagnetickém poli a kvantová teorie nám říká, že základní částice jsou vlny v jejich vlastních polích. To nám dává více fyzické médium, které pohání tyto vlny možností. A pokud jste si mysleli, že Kodaňská interpretace byla podivná, počkejte až se dozvíte o interpretaci mnoha světů, kterou máme na našem kanálu “Space time”. Díky The Great Courses Plus za sponzorování t=to epizody. The Great Corses Plus je služba, která vám umožní se učit o široké škále témat a to od učitelů jako jsou profesoři z Ivy League a jiní učitelé z celého světa. Jděte na thegreatcoursesp lus.com/spacetime a získejte přístup k videoknihovnám různých přednášek o vědě, matematice, historii, literatuře a dokonce i o tom , jak vařit, hrát šachy, anebo se stát fotografem. Nové předměty, přednášky a profesoři jsou přidáváni každý měsíc. V poslední době jsem procházel obsah The Great Corses Plus vztažený ke kvantové mechanice. Je to důkladná revize velmi komplikovaných témat. S The Great courses Plus můžete sledovat tolik různých přednášek a to kdy chcete a kde chcete bez testů a zkoušek. Pomozte sponzorovat show a začněte svou jedno měsíční zkušební dobu tak, že navštívíte thegreatcoursesp lus.com/spacetime. Ok. Podívejme se na některé komentáře z naší předchozí epizody o roli Jupiteru na formování našeho solárního systému. Jason Blank se ptá :”Nebyl Jupiter skoro hvězdou?” Nu, hvězdy o nejnižší mase jsou okolo 7.5% masy Slunce, zatímco jupiiter má 1/10000 masy slunce. Takže to není ani blízko. Potřebovali byste 75 Jupiterů na sobě, aby zažehli udržitelnou fúzi ve svém jádře. Pár z vás se divilo, proč si myslím, že i Jupiter musí mít kamenné jádro. Nu, Slunce a jiné hvězdy nemusí mít kamenitá jádra, protože jsou dostatečně masivní, aby všechen plyn kolapsoval sám o sobě. Existuje minimální masa, která umožňuje, aby se to stalo. Nazývá se “The Jeans mass”. Zavisí na velikosti mraku, teplotě a rychlosti rotace a složení Pro typické mezihvězdné mraky, je Jeans mass o dost nižší než masa slunce, ale stále je o hodně vetší než ta Jupiteru. Jupiter tak k formaci koule plynu, potřebuje kamenité jádro, které tento proces začne. Toto jádro se mohlo rozložit od té doby, co Jupiter vznikl. Juno to zjistí, pomocí jemného mapování Jupiterových gravitačních a magnetických polí. Bike Jake by chtěl , abych mluvil více o redonantních frekvencích. Moje potěšení – resonantní frekvence je , když dvě obíhající tělesa mají stejnou orbitální periodu , která formuje poměr malých celých čísel. Například na každý oběh měsíce Io měsíc Europa oběhne dvakrát a Ganymede čtyřikrát. Na každých 8 oběhů Země, Venuše oběhne 13. Tyto poměry celých čísel maximalizují množství času, které planety stráví v blízké vzdálenosti. Když jsou tato tělesa blízko k sobě, tak mají nejsilnější gravitační přitažlivost navzájem a tato přitažlivost je zastaví aby se vzdálili od resonantní frekvence. Imposter si stěžoval, že epizoda o Jupiteru byla moc pochopitelná. Nebojte se. Máme dostatek neuchopitelného obsahu, který se blíží k vám a to velmi brzy. (Znělka)

Facebook Chatter