კვანტური მექანიკა - კვანტური უცნაურობა



კვანტური უცნაურობა



ფიზიკა არის მეცნიერება, რომელიც შეისწავლის, თუ როგორ მუშაობს სამყარო მის ყველაზე საბაზისო, ფუნდამენტურ დონეზე. ფიზიკაში მრავალი სუბკატეგორიაა, რომელთაგან თითოეული შეისწავლის სამყაროს კონკრეტულ ასპექტს. ფიზიკის დარგი, რომელიც შეისწავლის სამყაროს მოქმედებას ძალიან მცირე მასშტაბებში - ატომებზე უფრო მცირე ნაწილაკების ურთიერთქმედებებს - კვანტური მექანიკა ეწოდება. კვანტური მექანიკა უცნაურია. ფიზიკოსთა უმეტესობა დაგვეთანხმება, რომ ფიზიკის ყველა დარგიდან კვანტური მექანიკა ყველაზე უცნაური და ნაკლებად ინტუიციურია. გულწრფელად რომ ვთქვათ, ის, თუ როგორ მოქმედებს სამყარო ყველაზე მცირე მასშტაბით, უბრალოდ არ არის ის, რასაც ჩვენ მოველოდით. რატომ ხდება ასე? არის თუ არა უკეთესი გზა კვანტური მექანიკის გასაგებად, რომელიც უფრო მეტად შეესაბამება ჩვენს მოლოდინებს? და რა კავშირშია ეს ყველაფერი ქრისტიანულ მსოფლმხედველობასთან?

ჩვენი მოლოდინების გამოწვევა

რა მაგალითები შეგვიძლია მოვიყვანოთ კვანტურ უცნაურობათა სადემონსტრაციოდ? მაგალითად, თუ არ გახსოვთ სად შეინახეთ გასაღები, იწყებთ მის ძებნას და წინასწარვე იცით, რომ იპოვით ერთ რაიმე კონკრეტულ ადგილას. მაგრამ მას შემდეგ, რაც გასაღებს იპოვით, თქვენ არ აგრძელებთ ძებნას, რადგან იცით, რომ თქვენი გასაღებები შეიძლება იყოს მხოლოდ და მხოლოდ ერთ ადგილას. თუ გასაღები თქვენს ჯიბეშია, მაშინ ის ამავდროს ვერ იქნება დივანის ბალიშებს შორის. ეს პრინციპი ძალიან კარგად მუშაობს დიდ მასშტაბებზე, მაგრამ არა კვანტურ მასშტაბებზე. გარკვეულ გარემოებებში, სუბატომური ნაწილაკი შეიძლება იყოს რამდენიმე ადგილას ერთდროულად. ეს ძალიან უცნაურია!

კიდევ ერთი მაგალითი. თანამგზავრი ბრუნავს ორბიტაზე, რადგან დედამიწის გრავიტაცია თანამგზავრის მოძრაობას მიმართულებას სწორი ხაზიდან - მრუდე (თითქმის წრიულ) მოძრაობად გარდაქმნის. მანძილი, რომელსაც თანამგზავრი ორბიტაზე გადის, დამოკიდებულის მისი ორბიტის მთლიან ენერგიაზე. თქვენ შეგიძლიათ დაამატოთ მცირე ენერგია და თანამგზავრი გადავა უფრო მაღალ ორბიტაზე, ან პირიქით, დააკლოთ და შესაბამისად, თანამგზავრი გადავა ქვედა დაბალ ორბიტაზე. თქვენ შეგიძლიათ თანამგზავრი ორბიტაზე თქვენთვის სასურველ დისტანციაზე გაიყვანოთ შესაბამისი რაოდენობის ენერგიის დამატებით ან მოკლებით.

შეიძლება იფიქროთ, რომ ელექტრონები, რომლებიც ატომის ბირთვის გარშემო ბრუნავენ, ანალოგიურად მოქმედებენ, მაგრამ ელექტრონებს შეუძლიათ ბრუნვა მხოლოდ ბირთვიდან გარკვეულ მანძილზე. მაგალითად, მათ შეუძლიათ ორბიტალურად იმოძრაონ 1 ან მე-2 დონეზე, მაგრამ თქვენ ვერ შეცვლით მათ ორბიტას სადმე შუალედში. შესაბამისად, შეუძლებელია ენერგიის დამატებით, ორბიტაზე მოძრავი ელექტრონი ოდნავ უფრო შორ დისტანციაზე გავიდეს. ეს გამორიცხულია. ელექტრონი მიიღებს ზუსტად იმ რაოდენობის ენერგიას, რომელიც საჭიროა, რომ გადავიდეს შემდეგ დაშვებულ დონეზე. უცნაურია! ელექტრონების ორბიტები კვანტიზებულია, რის გამოც ფიზიკის ამ დარგს ეწოდება კვანტური.

ბრუნვა ასევე კვანტიზებულია სუბატომურ მასშტაბში. მაგ. შესაძლებელია რაიმე ვაბრუნოთ 60 ბრუნვით წუთში, ან ოდნავ ნელა, ვთქვათ 59. ასევე შესაძლებელია რაიმე შუალედში, მაგალითად 59,5 ბრუნი წუთში, ან 59,97632. დასაშვებია ნებისმიერი მნიშვნელობა, მაგრამ კვანტურ სამყაროში ასე არ არის. ატომური მასშტაბით, ნაწილაკებს შეუძლიათ ბრუნვა, მაგრამ მხოლოდ გარკვეული კვანტური სიჩქარით, როგორიცაა 1, 2, 3, 4, მაგრამ არა მათ შორის. ასე რომ, 1,3 დაუშვებელია. უფრო მეტიც, ყველაზე ძირითად ნაწილაკებს, როგორიცაა ელექტრონები, აქვთ შიდა ბრუნვა, რომლის რაოდენობა უცვლელია (ბევრი ნაწილაკების შემთხვევაში) და უფრო დიდი, კომპოზიტური ნაწილაკებისთვის დაშვებული სიჩქარის ზუსტად ნახევარია. ელექტრონებს აქვთ ½ ბრუნვა.

ჩვენი ყოველდღიური გამოცდილებიდან ვიცით, რომ ერთმა ობიექტმა სხვაზე გავლენა რომ მოახდინოს, უნდა იყოს მასთან კონტაქტში. მაგ. ბეისბოლში, თუ გინდათ, რომ ბურთი გადააგდოთ, კეტი უნდა დაარტყათ. თქვენ შეგიძლიათ გაამოძრაოთ მხოლოდ ის ობიექტი, რასაც რეალურად ეხებით. თქვენი ქმედებები არანაირ გავლენას არ მოახდენს ბურთზე, რომელსაც არ ეხებით, მაგალითად, პლანეტის მეორე მხარეს. მაგრამ თქვენ შეცდებით, თუ იფიქრებთ, რომ მსგავსი რამ ხდება კვანტურ მექანიკაში! როდესაც ორი ნაწილაკი ერთმანეთთან კონტაქტშია, დაშორების შემდეგ, ერთის ცვლილებამ შეიძლება მყისიერად იმოქმედოს მეორეზე - მაშინაც კი, თუ ისინი ახლა გალაქტიკის საპირისპირო მხარეებზე არიან! ამ ფენომენს კვანტურ გადაჯაჭვულობას უწოდებენ და ეს მოვლენა კვანტური მექანიკის ყველაზე გამოუცნობ ასპექტს წარმოადგენს. ბოლო წლების განმავლობაში კვანტური გადაჯაჭვულობა რჩება კვლევის აქტუალურ ობიექტად როგორც ფიზიკის ასევე მათემატიკის თვალსაზრისით. კვანტური გადაჯაჭვულობის მათემატიკური ასპექტების აღწერის პრობლემატიკა წარმოადგენს კომპლექსური კვლევების ამოცანას.

ფენომენის ნაწილობრივი ახსნა

კვანტური მექანიკის ზოგიერთი უცნაურობა გამოვლინდა მაშინ, როდესაც მეცნიერებმა აღმოაჩინეს, რომ სუბატომურ ნაწილაკებს აქვთ ტალღოვანი ბუნება. წარმოიდგინეთ, რომ აუზში ჩააგდეთ დიდი ქვა. თავდაპირველად წარმოიქმნება წრიული ტალღა, რომელიც დროთა განმავლობაში იზრდება მცირე ტალღებით და შორდება ცენტრს, სანამ არ მიაღწევს გარშემოწერილობას.

მეცნიერები საუკუნეების მანძილზე სწავლობდნენ ტალღების თვისებებს. ასე რომ, ჩვენ დღეს საკმაოდ ბევრი ცოდნა და გამოცდილება დაგვიგროვდა. არსებობს ექსპერიმენტული მტკიცებულება, რომ სუბატომური ნაწილაკები ზუსტად ასე მოქმედებენ. ყველა ნაწილაკს აქვს ტალღის სიგრძე, რომელიც დამოკიდებულია მათ მასაზე და სიჩქარეზე. რაც უფრო ნაკლებად მასიურია ნაწილაკი, მით უფრო გრძელია ტალღის სიგრძე მოცემული სიჩქარით. ჩვენ ვერ ვამჩნევთ დიდი ობიექტების ტალღის სიგრძეს, როგორიცაა მანქანა, რადგან ასეთი მასიური ობიექტისთვის ტალღის სიგრძე ატომზე გაცილებით მცირეა. მაგრამ მცირე ნაწილაკებისთვის, მათი ტალღური ბუნება ძალიან შესამჩნევია.

კვანტური მექანიკის უცნაურობას განაპირობებს არა ის, რომ სამყაროში რაიმე არალოგიკური ხდება, არამედ ის რომ ჩვენ გვაქვს არასწორი წარმოდგენა იმის შესახებ, რაც ხდება სამყაროში. ჩვენ მიდრეკილნი ვართ ვიფიქროთ, რომ ნაწილაკები არსებობენ სივრცეში მხოლოდ ერთ კონკრეტულ ადგილას. მაგრამ სინამდვილეში, სუბატომური ნაწილაკები უფრო ჰგავს ტალღებს, რომლებიც ვრცელდება სივრცეში. ასე რომ, რა თქმა უნდა, ელექტრონი შეიძლება არსებობდეს ერთზე მეტ ადგილას, რადგან ის ფართოვდება სივრცეში, როგორც ტალღა.

სინამდვილეში, ელექტრონების ტალღური ბუნება განმარტავს, თუ რატომ შეუძლიათ მათ ატომის ბირთვის გარშემო ბრუნვა მხოლოდ გარკვეულ დისკრეტულ დონეზე და არა ამ დონეებს შორის. დონეები, რომლებზეც ელექტრონები ბრუნავენ, არის ის დონეები, რომლებზეც ორბიტის გარშემოწერილობა ემთხვევა ელექტრონის ტალღის სიგრძის მთელ რიცხვს. წინააღმდეგ შემთხვევაში ელექტრონი არსებობას შეწყვეტდა. აქედან გამომდინარე შეგვიძლია მათემატიკურად გამოვთვალოთ ის დონეები, რომლებზეც ელექტრონები მოძრაობენ წყალბადის ატომის გარშემო, რაც ზუსტად დაადასტურა მრავალრიცხოვანმა ექსპერიმენტებმა.

მიუხედავად ამისა, კვანტური სამყაროს ზოგიერთი თვისება ჯერ კიდევ საკმაოდ იდუმალია. მიუხედავად იმისა, რომ სუბატომური ნაწილაკები ტალღების მსგავსად იქცევიან, ისინი ზოგჯერ იქცევიან როგორც ნაწილაკი - თითქოს არსებობენ სივრცეში მხოლოდ ერთ ადგილას. როგორც ჩანს, ყველა სუბატომური ნაწილაკები მოქმედებენ როგორც ტალღები, სანამ რაიმე სახის დაკვირვება არ მოხდება მათზე! როდესაც ჩვენ ვცდილობთ გავზომოთ ნაწილაკის რაიმე პარამეტრი, ის ამ მომენტისთვის წყვეტს თავის ტალღურ ქცევას. ფიზიკოსებმა ამ მოვლენას უწოდეს "ტალღური ფუნქციის კოლაფსი“. დაკვირვებისას ნაწილაკი აღარ არის გაშლილი სივრცის მოცულობაზე, როგორც ტალღა, და იკავებს დისკრეტულ პოზიციას სივრცეში! გასაოცარია, რომ ნაწილაკების კონკრეტულ ადგილას პოვნის ალბათობა მისი ტალღის ფუნქციის კვადრატია. ძირითადად, ნაწილაკები ტალღების მსგავსად მოქმედებენ, როცა მათ არ ვაკვირდებით, და ისინი ნაწილაკებად იქცევიან, როცა ვაკვირდებით! ნაწილაკი, სავარაუდოდ, იქნება იქ, სადაც არის პიკი ან ვარდნა. ეს ძალიან უცნაურია, მაგრამ ფაქტია.

მიუხედავად მისი კონტრინტუიციური ბუნებისა, ჩვენ გვაქვს ძალიან კარგი არგუმენტები ვიფიქროთ, რომ კვანტური მექანიკა შესანიშნავად აღწერს თუ რა საოცრად ოპერირებს სამყარო. კვანტური მექანიკის პროგნოზები არაერთხელ იქნა გადამოწმებული ექსპერიმენტულად. და პროგნოზიც ყოველთვის სწორია. ასე რომ, ჩვენ სწორ გზაზე ვართ. რათქმაუნდა არავინ ამტკიცებს, რომ კვანტური მექანიკა გვაძლევს სამყაროს მთლიან სურათს, და ვიმედოვნებთ, რომ მომავალში კიდევ უფრო დიდი აღმოჩენები გაკეთდება.

არსებობს ცალკეულ მეცნიერთა მიერ წარმოდგენილი კვანტური მექანიკის ზოგიერთი ასპექტის განსხვავებული ინტერპრეტაცია, რომლებიც საკმაოდ საეჭვოა და აუცილებელი სწორი პროგნოზების გასაკეთებლად მიუღებელია. მაგალითად, ნაწილაკის გაზომვა/დაკვირვება, არღვევს მის ტალღურ ფუნქციას, და ნაწილაკი აღმოჩნდება იქ, სადაც ტალღის ფუნქციის კვადრატი მაღალია. მაგრამ ჩვენ ვერ ვიწინასწარმეტყველებთ, რომელ „პიკს“ აირჩევს ნაწილაკი. ზოგიერთი ფიზიკოსი ვარაუდობს, რომ ნაწილაკი ირჩევს ყველა შესაძლო გზას - თითოეულს ცალკე სამყაროში. ჩვენ უბრალოდ ვცხოვრობთ სამყაროში, სადაც დავაკვირდით მოცემულ შედეგს. მაგრამ ზოგიერთ სხვა სამყაროში ნაწილაკმა სხვა არჩევანი გააკეთა. ცხადია, ეს იდეა მულტივერს სამყაროზე სხვა არაფერია, თუ არა მხოლოდ ვარაუდი. მსგავსი ჰიპოთეზები არ გვაძლევენ შემოწმებად პროგნოზებს, არ აქვთ დამადასტურებელი მტკიცებულება (არც კი შეიძლება ჰქონდეთ პრინციპში) და, შესაბამისად, არ უწყობენ ხელს მეცნიერების განვითარებას.

ლოგიკა ინტუიციის საპირისპიროდ

ხანდახან ადამიანებს ეჭვი ეპარებათ კვანტურ მექანიკაში, რადგან ეს სფერო ძალიან უცნაურია და ეწინააღმდეგება ჩვენს ინტუიციას. მაგრამ უნდა იყოს თუ არა სამყარო ინტუიციური? ინტუიცია არის ჩვენი ყოველდღიური წარმოსახვა, თუ როგორ ან რა უნდა მოხდეს. ჩვენ არ გვაქვს საკმარისი არც დრო და არც ინტელექტი, რომ ერთმნიშვნელოვნად გამოვთვალოთ საწყისი მნიშვნელობებიდან, თუ რა უნდა მოხდეს ჩვენს ცხოვრებაში ყველა სიტუაციაში. ასე რომ, ჩვენ ვეყრდნობით საკუთარ გამოცდილებას - გვაქვს გარკვეული თარგები, რომლებიც, უმეტესად შემთხვევაში სწორია. ასეთი გამოცდილება აყალიბებს ჩვენს ინტუიციას იმის შესახებ, თუ რას უნდა ველოდოთ მომავალ, გამოუცდელ სიტუაციებში.

მართლაც, ჩვენი ინტუიცია ხშირად სწორია. მცირეწლოვანი ბავშვიც კი, რომელმაც არაფერი იცის ნიუტონის მიზიდულობის კანონის შესახებ, მოელის, რომ თუ ხელს გაუშვებს ქვას, ის უსათუოდ მიწაზე დავარდება. წარსული გამოცდილება ბავშვს ეუბნება, რომ, ზოგადად, ყველაფერი ვარდება ძირს. მაგრამ რადგან ინტუიცია ეფუძნება გამოცდილებას, ის საუკეთესოდ მუშაობს იმ შემთხვევებში, თუ გვაქვს შესაბამისი გამოცდილება. თუმცა, ინტუიცია მარცხდება ისეთ სიტუაციებში, სადაც მცირე გამოცდილება გვაქვს ან საერთოდ არ გვაქვს. ბავშვი, რომელიც ტელევიზორში ასტრონავტს უყურებს, შეიძლება გაოცდეს, როცა ასტრონავტი რაღაც ნივთს უშვებს ხელიდან და ის იატაკზე არ ვარდება... კვანტური მექანიკის უცნაურობებს შეიძლება განაპირობებს ის ფაქტორი რომ ადამიანებს სუბატომური ნაწილაკების სათანადო გამოცდილება არ გაგვაჩნია. ჩვენ პირდაპირ ვერ ვხედავთ მათ, რადგან ისინი ძალიან მცირენი არიან, მაგრამ გაითვალისწინეთ, რომ კვანტური მექანიკა არ არღვევს ლოგიკის პრინციპებს. არაფერია ირაციონალური სუბატომური ნაწილაკების ქცევაში. შეიძლება არსებობდეს ექსპერიმენტული შედეგების გარკვეული ინტერპრეტაციები, რომლებიც არღვევს ლოგიკის კანონებს და, შესაბამისად, ეს ინტერპრეტაციები არასწორია. მაგრამ თავად ექსპერიმენტული შედეგები სავსებით ლოგიკურია, თუნდაც ისინი ეწინააღმდეგებოდეს ჩვენს ინტუიციას.

სინამდვილეში, კვანტური მექანიკა რომ არღვევდეს ლოგიკის პრინციპებს, მაშინ ჩვენ ვერასდროს აღმოვაჩენდით მას. ჩვენ ვიყენებთ ლოგიკის პრინციპებს მეცნიერული აღმოჩენების გასაკეთებლად. ჩვენ ვმსჯელობთ ექსპერიმენტული დაკვირვებების საფუძველზე იმ ვარაუდით, რომ სამყარო ფუნდამენტურად ლოგიკურია და მსჯელობის პრინციპები არასდროს არ ირღვევა. მაგრამ რა ამართლებს ამ მოლოდინს?

ქრისტიანული მსოფლმხედველობა შესაძლებელს ხდის მეცნიერების არსებობას. სამყარო ყოველთვის ლოგიკურია, რადგან ლოგიკა არის აღწერა იმისა, თუ როგორ ფიქრობს ღმერთი. ღმერთი სავსებით რაციონალურია. და რადგან ღმერთის გონება აკონტროლებს სამყაროს, სამყაროც ყოველთვის ლოგიკური იქნება. ღვთის ხატად შექმნილ ადამიანებს აქვთ უნარი იფიქრონ ლოგიკურად, თუმცა ჩვენს ცოდვაში ზოგჯერ ამას ვერ ვახერხებთ. ამრიგად, მეცნიერების წარმატება არის იმის მტკიცებულება, რომ ქრისტიანული მსოფლმხედველობა სწორია. თუ სამყაროში შემთხვევითია, რატომ უნდა ველოდოთ ბუნებაში თარგების აღმოჩენას? რატომ უნდა ველოდოთ, რომ ეს თარგები ლოგიკის კანონებს მიჰყვებიან? ის ფაქტი, რომ საერო მეცნიერები ნამდვილად ელიან ბუნებაში თარგების პოვნას და ფიქრობენ, რომ ეს თარგები იქნება ლოგიკური, ნათლად აჩვენებს, რომ გულში ისინი ნამდვილად იცნობენ ღმერთს, თუმცა „თავიანთი უსამართლობით ახშობენ ჭეშმარიტებას“ (რომაელთა 1:18-20).

მიუხედავად იმისა, რომ ღმერთი ლოგიკურია, ის ასევე ძალიან კრეატიულია. მისი გზები და აზრები ბევრად აღემატება ჩვენსას (ესაია 55:8—9). და ამიტომ, ზოგიერთი ასპექტი იმისა, თუ როგორ აირჩია ღმერთმა მართოს მის მიერ შექმნილი სამყარო, შეიძლება ძალიან უცნაურად და გასაკვირად მოგვეჩვენოს. კვანტური მექანიკა ამის შესანიშნავი მაგალითია. და მაინც, ჩვენ გვჯერა, რომ სამყარო ყოველთვის იქნება რაციონალური, თუ არა ყოველთვის ინტუიტიური, რადგან მას წარმართავს ღმერთი. მეცნიერების წარმატება ამართლებს ბიბლიურ აზროვნებას და გამოწვევას უქმნის სეკულარიზმს. გარდა ამისა, სამყაროს ფუნქციონირების შესწავლა გარკვეულწილად მიგვანიშნებს ღვთაებრივი გონების დიდებულებაზე. როგორც კრეაციონისტმა მეცნიერმა იოჰანეს კეპლერმა აღნიშნა, მეცნიერება ნიშნავს იფიქრო ღვთაებრივი აზროვნების მსგავსად.



დოქტორ ჯეისონ ლისლი, ასტროფიზიკოსი
Dr. Jason Lisle, 2019