Wróćmy do tego, czym jest mechanika kwantowa i jak możemy z niej korzystać.

Niewidoczny widok

Okej, więc czujesz kawę, prawie się obudziłeś. Twoje oczy są gotowe na światło dzienne, mrugają i wpuszczają trochę światła. Kiedy o tym pomyślisz, cząstki światła, które dostają się do twojej twarzy i twoich oczu, powstały milion lat temu w centrum Słońca, w czasie, gdy nasi przodkowie zaczęli używać ognia. Słońce nie wysłałoby nawet cząstek zwanych fotonami, gdyby nie były potrzebne dla tego samego zjawiska, które mogłoby być podstawą naszego zapachu, tunelowania kwantowego.

O 150 milionów kilometrów dzieli Słońce i Ziemię, fotony potrzebują tylko ośmiu minut, aby pokonać tę odległość. Większość ich podróży odbywa się w słońcu, gdzie typowy foton spędza miliony lat próbując uciec. Masę następnie utrzymywano w środku naszych gwiazd, gdzie wodór jest około 13 razy gęstszy niż ołów, a fotony mogą podróżować tylko nieskończenie mały ułamek sekundy przed wchłonięciem jonów wodorowych, które następnie pożarów foton podróżowania ze słońca, itp .. Po miliard takie interakcje w końcu wyłaniają foton na powierzchni Słońca, który świeci od milionów lat.

Mechanika kwantowa (© Jay Smith)

Fotony nigdy nie powstały, a słońce nie świeciło, gdyby nie było tunelowania kwantowego. Słońce i wszystkie inne gwiazdy wytwarzają światło poprzez syntezę jądrową, rozbijając jony wodoru i tworząc hel dzięki procesowi, który uwalnia energię. Co sekundę słońce przelicza na około 4 miliony ton masy. Jedynie jony wodoru, takie jak pojedyncze protony, mają dodatnie ładunki elektryczne i odpychają się nawzajem. Jak mogą się ze sobą łączyć?
W tunelach kwantowych charakter falowy protonów pozwala im czasami zachodzić na siebie jak fale łączące się z powierzchnią stawu. Że fale nakładania protonowe dostarczany na tyle blisko, że dodatkowe siły, takich jak silne siły jądrowego, który działa tylko przy bardzo małych odległościach może pokonać odpychanie elektrycznego cząstek. Protony następnie zwiną się i uwolnią jeden foton.

Nasze oczy są bardzo wrażliwe na fotony

Nasze oczy ewoluowały, by być bardzo wrażliwymi na te fotony. Niektóre z ostatnich eksperymentów pokazały, że możemy wykryć pojedyncze fotony, co daje interesującą opcję: czy ludzie mogliby wykryć szczególne przypadki mechaniki kwantowej? Czy to oznacza, że ​​człowiek, jak foton lub elektron czy nieszczęśliwy kot Schrödingera, jest martwy i żywy w tym samym czasie, jeśli angażuje się bezpośrednio w świat kwantowy? Jak mogłoby wyglądać takie doświadczenie?

Ludzkie oko

„Nie wiemy, bo to był sądzony”, mówi Rebecca Holmes, fizyk z Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku. Trzy lata temu, ukończył studia na University of Illinois w Urbana-Champaign, Holmes był częścią zespołu kierowanego przez Pawła Kwiat, które wykazały, że ludzie mogą wykryć krótkie błyski światła, składające się z trzech fotonów. W 2016 okazało się, że konkurują grupa naukowców kierowany przez fizyka Alipas Vaziriovou na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku odkryli, że ludzie rzeczywiście zobaczyć nawet pojedyncze fotony. Widzimy jednak, że doświadczenie może nie być dokładnie opisane. Vaziri, próbowała zobaczyć błyski fotonów i powiedziała magazynowi Nature: "To nie jest tak, jak widzieć światło. To prawie uczucie u progu fantazji. "

Mechanika kwantowa - eksperymenty

W niedalekiej przyszłości eksperymenty Holmesa i Vaziri mają sprawdzić, co ludzie postrzegają, kiedy fotony są umieszczane w specjalnych stanach kwantowych. Fizycy mogą, na przykład, połączyć pojedynczy foton z tym, co nazywają superpozycją, gdzie fotony występują w tym samym czasie w dwóch różnych miejscach. Holmes i jej współpracownicy zaprojektowali eksperyment obejmujący dwa scenariusze, aby sprawdzić, czy ludzie mogą bezpośrednio postrzegać superpozycję fotonów. W pierwszym scenariuszu jeden foton trafiłby na lewą lub prawą stronę siatkówki i można było zauważyć, po której stronie siatkówki czuwał foton. W drugim scenariuszu foton zostałby umieszczony w superpozycji kwantowej, aby umożliwić jej pozornie niemożliwe - jednocześnie przelatując w prawą i lewą stronę siatkówki oka.

Czy znajdzie się światło po obu stronach siatkówki? A może interakcja fotonu w oku spowodowałaby upadek superpozycji? Jeśli tak, to czy będzie tak często po prawej, jak po lewej, jak sugeruje teoria?

Rebecca Holmes mówi:

"Bazując na standardowej mechaniki kwantowej, foton superpozycji prawdopodobnie nie wyglądałby inaczej niż faktycznie wysłany foton na lewo lub na prawo."

Jeśli okaże się, że niektórzy uczestnicy eksperymentu rzeczywiście postrzegali foton w obu miejscach w tym samym czasie, to czy oznacza to, że osoba była w stanie kwantowym?

Rebecca Holmes dodaje:

"Można powiedzieć, że obserwator był sam w kwantowej superpozycji w nieznacznie nieistotnym czasie, ale nikt nie próbował tego jeszcze, więc tak naprawdę nie wiemy. Dlatego możemy przeprowadzić taki eksperyment. "

Odczytasz swoją własną drogę

Teraz wróćmy do filiżanki kawy. Czujesz kubek jako solidny kawałek materiału, mocno dotykający skóry dłoni. Ale to tylko iluzja. Nigdy nie dotykamy niczego, przynajmniej nie w sensie dwóch stałych cząstek, które dotykają. Więcej niż 99,9999999999 procent atomu składa się z pustej przestrzeniz prawie całą masą wyśrodkowaną w rdzeniu.

Mechanika kwantowa (© Jay Smith)

Kiedy trzymasz kubek rękami, wydaje się, że jego siła pochodzi z oporu elektronów w kubku i dłoni. Same elektrony nie mają żadnej objętości, są jedynie pozornymi zerowymi wymiarami ujemnego ładunku elektrycznego otaczającego atomy i cząsteczki, takie jak chmura. Prawa mechaniki kwantowej są ograniczone do określonych poziomów energii wokół atomów i cząsteczek. Gdy ręka chwyta filiżankę, popycha elektrony z jednego poziomu na drugi i wymaga energii mięśni, które mózg interpretuje jako opór przy dotykaniu czegoś stałego.

Nasze odczucie dotyku opiera się na niezwykle złożonym oddziaływaniu między elektronami wokół cząsteczek naszego ciała i cząsteczek obiektów, których dotykamy. Na podstawie tych informacji mózg tworzy iluzję, że mamy ciało stałe poruszające się po świecie pełnym innych stałych obiektów. Kontakt z nimi nie daje nam dokładnego poczucia rzeczywistości. Możliwe, że żadne z naszych spostrzeżeń nie odpowiada temu, co naprawdę się dzieje. Donald Hoffman, neurolog poznawczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, uważa, że ​​nasze zmysły i mózgi ewoluowały, aby zaciemniać prawdziwą naturę rzeczywistości, a nie ją ujawniać.

"Moim pomysłem jest to, że fakt, cokolwiek to jest, jest zbyt skomplikowany, a przetworzenie go zabiera dużo czasu i energii."

Porównanie obrazu świata w mózgu z interfejsem graficznym na komputerze

Hoffman porównuje obraz budowy świata w naszym mózgu z interfejsem graficznym na ekranie komputera. Wszystkie kolorowe ikony na ekranie, takie jak kosz, wskaźnik myszy i folder plików, nie są w żaden sposób powiązane z tym, co naprawdę dzieje się wewnątrz komputera. Są to jedynie abstrakcje, uproszczenia, które pozwalają nam komunikować się ze złożoną elektroniką.

Zgodnie z poglądem Hoffmana ewolucja zmieniła nasz mózg tak, by działał jak interfejs graficzny, który nie wytwarza świata całkiem wiernie. Ewolucja nie sprzyja rozwojowi prawidłowej percepcji, wykorzystuje jedynie to, co pozwala na przetrwanie.

Jak mówi Hoffman:

"Forma dominuje w rzeczywistości".

Hoffman i jego studenci podyplomowe testowali setki tysięcy modeli komputerów w ostatnich latach, aby przetestować swoje pomysły w symulacjach sztucznych form życia kwestionujących ograniczone zasoby. W każdym razie organizmy są zaprogramowane tak, aby dawały pierwszeństwo kondycji fizycznej, gdy realia nie są takie same jak te, które zostały stworzone dla dokładnej percepcji.

Na przykład, jeżeli organizm postrzega wykonana dokładnie, na przykład, całkowita ilość wody obecnej w środowisku i prowadzi się go do organizmu, który jest dostrojony do wykrywania co prostsze, na przykład optymalną ilość wody, aby przeżyć. Podczas gdy jeden organizm może stworzyć dokładniejszą formę rzeczywistości, ta właściwość nie zwiększa jej zdolności przetrwania. Badanie Hoffmana doprowadziło go do niezwykłego wniosku:

"W zakresie, w jakim jesteśmy nastawieni na podtrzymanie życia, nie będziemy dostrojonych do rzeczywistości. Nie możemy tego zrobić. "

Teoria kwantowa

Jego idee pokrywają się z tym, co niektórzy fizycy uważają za główną ideę teorii kwantowej - percepcja rzeczywistości nie jest całkowicie obiektywna, nie możemy oddzielić się od obserwowanego świata.

Hoffman w pełni wyświetla ten widok:

"Przestrzeń jest po prostu strukturą danych, a obiekty fizyczne same w sobie są strukturami danych, które tworzymy w locie. Kiedy patrzę na wzgórze, tworzę tę strukturę danych. Potem szukam gdzie indziej i przełamuję tę strukturę danych, ponieważ już jej nie potrzebuję. "

Jak pokazuje praca Hoffmana, nie rozważaliśmy jeszcze pełnego znaczenia teorii kwantów i tego, co mówi ona o naturze rzeczywistości. Sam Planck przez większość swojego życia starał się zrozumieć teorię, którą pomógł stworzyć, i zawsze wierzył w obiektywne postrzeganie wszechświata, który istniał niezależnie od nas.

Napisał kiedyś o tym, dlaczego zdecydował się poświęcić fizyce, wbrew radom swojego nauczyciela:

"Świat zewnętrzny jest czymś niezależnym od człowieka, jest czymś absolutnym, a poszukiwanie praw, które się do niego odnoszą, absolutnie wydaje mi się najbardziej wzniosłym naukowym doświadczeniem życia".

Być może minie kolejne stulecie, zanim kolejna rewolucja w fizyce udowodni, czy był dobry, czy zły, jak jego profesor Philip von Jolly.