Kvantinės sampratos pradžiamokslis

Šiame skirsnelyje pradedame suprantamai ir populiariai aiškinti kvantinės mechanikos ir šiuolaikinės el. dalelių fizikos pagrindinius terminus.

Jei vieną rytą atsibudęs nesuprasi, kas esi (kalnų liūtas ar panda), ir kur esi (Lietuvoje ar Airijoje), tu miegi ar jau prabudęs, - tada, gali būti, kad esi kvantinis katinas.

Bozonai, fermionai ir anijonai

Ar žinote, kokios yra elementariosios dalelės?

Bangos:

Kai kurie aiškina, kad el. dalelės iš tikro yra tik kitokių formų bangos.
Vandens bangose vandens masė keliasi aukštyn ir leidžiasi žemyn, - o banga juda.
Prie kranto bangų aukštį ir judėjimą nulemia povandeninė kranto dalis.
Fizikai bando apibrėžti fizikos dėsnius, paaiškinančius tai, ką matome.

Bozonai:

Jie veikia ir atrodo tarsi kareivos ar gangsteriai.
Jie lingę žygiuoti rikiuote, tačiau susimeta į gangsterių gaujas.

[ LHC greitintuvas tarytum jau atrado Higso bozoną arba „dieviškąją dalelę“, kuri gali tapti netgi kertiniu akmeniu kuriant laiko mašiną, žr. >>>>> ]

Fermionai:

Tarsi katinai, jie bando lipti ant bet ko, kad tik būtų viršuje.
Jų kiekvienas stengiasi elgtis skirtingai nei kiti.
Jei du fermionai atvyksta į vakarėlį apsirengę vienodai, vienas jų privalo persirengti.

Anijonai:

Šie elgiasi kažkiek panašiai į bozonus, o kažkiek – į fermionus.
Jų kiekvienas gali daryti tai, kas jiems patinka, ir nekreipti dėmesio į tai, ką kiti daro.
Kartais jie nori būti vienodi, o kartais – skirtingi. O kartais – tik šiek tiek skirtingi.

Barionai – sunkiosios el. dalelės, stipriai sąveikaujantys, iš 3 kvarkų susidedantys fermionai, kurių barioninis skaičius lygus 1. Jiems, be kitų, priklauso protonai ir neutronai, iš kurių susideda atomų branduoliai. Barionai kartu su mezonais (susidedančiais iš lyginio kvarkų skaičiaus) dalyvauja stipriojoje branduolinėje sąveikoje ir priklauso hadronų grupei.
Barionai paklūsta barioninio skaičiaus išlaikymo dėsniui, teigiančiam, kad uždaroje sistemoje barionų ir antibarionų skirtumas yra pastovus. Šio reiškinio priežastys nėra žinomos, bet jei dėsnis negaliotų, protonas galėtų suskilti, tačiau to iki šiol dar nestebėta.

Superstygos

Guminiai lankeliai gali skrieti greitai ir toli, jei bus iššauti ištempus. Jie gali pakilti aukštai, nes juose glūdi daug energijos.

Jei stipriai timptelėsite ir paleisite gumytę, išgirsite gana aukštą natą. Jei gumytė bus silpnai įtempta, išgirsite žemą natą. Mažai įtempta gumytė ir neiškils aukštai, nes neturi daug energijos.

Viena naujausių teorijų skelbia, kad visas pasaulis sudarytas iš ypač mažų tokių guminių lankelių, kurie vadinami super-stygomis. Jos tokios mažos, kad jų nepamatysite net per galingiausius mikroskopus. Panašiai, kaip įtemptos ir paleistos gumytės, jos skleidžia skirtingo aukštumo garsus.

Kosminės stygos yra tarsi milžiniški įtrūkimai, galintys erdvėje išsitempti milijardus kilometrų. Įsivaizduokite, kad jums pliaukštelėjo tokia styga! Galite net pasijusti atsidūrę vakardienoje.

Kita – kvantiniame pasaulyje dingsta priežastingumas. Teniso kamuoliukas nuskrieja, nes į jį buvo trinktelėta rakete. Tuo tarpu radioaktyvus atomas gali tiesiog skilti – be jokios priežasties. Net negalime sužinoti, ar konkretus atomas skils per ateinančią valandą. Tegalime kalbėti tik apie skilimo tikimybę.

Anapus fotonų dalelės-bangos dualizmo

Kvantiniai objektai yra labai paslankūs. Imkim, tarkim fotoną. Vienu momentu šis šviesos kvantas veikia kaip elementarioji dalelė, skriejanti tiksliai apibrėžta trajektorija tarsi smulkutė kulka, o kitu – elgiasi jau kaip banga, kuri gali persidengti sukurdama interferencijos efektą (panašų į ratilus vandenyje).

Dalelės-bangos dualizmas yra esminė kvantinės mechanikos savybė, kurią nelengva suprasti remiantis kasdiene patirtimi. Tačiau tikrovėje dalykai netgi keistesni. Nauji bandymai parodė, kad fotonai ne tik gali keistis iš dalelės į bangą ir atgal, tačiau vienu metu gali turėti abiejų tų stichijų savybes. Fotonas gali detektoriuje neparodyti savo prigimties, pasireikšdamas dalele ar banga tik tada, kai suardomas. Fizikai pademonstravo, kad fotonas elgiasi kaip dalelė ar banga tik tada, kai jis verčiamas tam. Tarkim, kai jį bandoma prakišti pro spindulių dalytuvą (savotišką kelio atsišakojimą), kurio kiekviena atšaka veda į atskirą detektorių, fotoną su vienoda tikimybe užregistruotas bet kuris jų. Kitaip sakant, fotonas pasirenka vieną kelių ir juo seka iki galo, tarsi marmurinis rutulys vamzdžiu. Tačiau kelių išsišakojimą prieš detektorius pertvarkius taip, kad abu kanalai leistų interferenciją (kaip kad bangos aplenkia stulpą, kad už jo vėl susijungtų), fotonas rodo į bangų interferenciją panašius efektus, iš esmės aplenkdamas stulpą iš abiejų pusių, Kitaip sakant, jei fotoną matuosim kaip dalelę, jis elgsis kaip dalelė, o jei matuosim kaip bangą – elgsis kaip banga.

Galima manyti, kad fotonas vieną iš elgsenų (bangos ar dalelės) priima iš anksto ar kai susiduria su spindulių dalytuvu. Tačiau 2007 m. „užlaikyto pasirinkimo“ eksperimentas atmetė šią nuostatą. Naudojant interferometrą, eksperimentinį prietaisą, į kurį įeina spindulių dalytuvas, esantis prieš kelių perjungimą ir išlaikantis juos atskirus. Tačiau jie privertė pasirinkimą daryti tik po to, kai fotonas praėjo spindulių dalytuvą. Fotonai tada rodė interferencijos požymius, nors jau turėjo būti priversti padaryti pasirinkimą.

Tada dvi tyrinėtojų grupės (iš Prancūzijos ir Anglijos) parengė dar labiau keistesnius atidėto pasirinkimo eksperimentus, naudojant kvantinius perjungiklius. Tuo jungikliu buvo kubitas, kvantinis bitas, dar vienas fotonas. Jungiklis nebūdavo perjungiamas tol, kol fotonas nebūdavo užregistruotas vieno iš detektoriaus. Taip buvo galima patikrinti ir tarpines fotono būsenas. Eksperimentų rezultatai aprašyti „Science“ 2012 m. lapkričio 2 d. numeryje.

Tas kvantinis jungiklis nustato aparato prigimtį – ar abu keliai sudaro uždarą interferometrą, matuojantį bangos savybes, ar atskiriant kelius, matuojant diskretines daleles. Tačiau abiem atvejais fotono elgsena nebūdavo nustatoma tol, kol nebūdavo išmatuojamas kitas fotonas. Pirmojo fotono likimas buvo sujungtas su antrojo fotono būsena kvantiniu susiejimu, reiškiniu, kai kvantiniai objektai dalinasi koreliuojančiomis savybėmis.

Bristolyje antrojo fotono būsena apibrėžia, ar interferometras yra atviras, uždaras ar abiejų atvejų superpozicija., kas savo ruožtu, ar pirmasis fotonas yra banga ar dalelė. Tanzilio grupės sukurto prietaiso veikimas panašus – interferometras yra uždaras vertikaliai poliarizuotiems fotonams (veikiantiems tarsi bangos) ir atviros horizontaliai poliarizuotiems fotonams (veikiantiems tarsi dalelės). pasiuntę tikrinamą fotoną per aparatą, tyrėjai matuodavo susietą fotoną po 20 nanosekundžių, kad būtų nustatytas tikrinamo fotono poliarizaciją. Taigi tikrinamas fotonas baigdavo savo gyvenimą interferometre, kur būdavo sunaikinamas. Tik tada būdavo nustatoma jo elgsena. Ta operacijų tvarka yra esminė. Tai rodo, kad tarsi erdvė ir laikas neturi jokio vaidmens tame.

„Science“ žurnalo komentaruose tas reiškinys pavadintas „kvantiniu uždelsimu“ (procrastination arba proquastination). Atrodo, kad fotonas gali būti kuo nori kada nori. Juk Feinmanas fotoną vadino „vienintele tikra kvantinės mechanikos paslaptimi“.

Hipotetiniai aksionai  

Aksionas – hipotetinė dalelė, leidžianti išspręsti kvantinės chromodinamikos problemą: neužfiksuotą invariantiškumo nebuvimą šios teorijos lygtyse esant vienalaikiams veidrodiniam atspindžiui bei dalelių virtimu į antidaleles, kai teoriškai toks nebuvimas yra galimas. Norėdami tai paaiškinti, antroje 8-o dešimtm. pusėje Roberto Pečėjus¹⁾ ir Helena Kvin²⁾ įvedė aksioną, kurio sąveikos parametrų reikšmės efektyviai pašalina tą problemą.

Laikyta, kad aksionas turėtų skilti į fotonų porą. Spėjama, kad jo masė nepaprastai maža, o jis pats beveik nesąveikauja su barionine materija – dėl ko puikiai tinka kandidatu į tamsiosios materijos dalelę.

Kvantinio geometrinio tenzoriaus ieškant

Mokslininkai dirba kurdami specialią geometriją, aprašančią kvantines sąveikas. Turime kelias kvantinės geometrijos teorijas, priklausomai nuo to, kas klausiama, ir tos geometrijos gali būti panaudotos daugelio reiškinių paaiškinimui. Tuo tarpu komanda, paskelbusi straipsnį „Nature Physics“ 2024 m. lapkritį siekė atkurti kvantinį geometrinį tenzorių (QGT). Jisai gali įkūnyti būdus, kuriais įvairios jėgos ir veiksniai gali veikti objektą. Tačiau jo negalima tiesiogiai stebėti, tad komanda paėmė kvazi-QGT kiek galima artimesnį realiam. Iš esmės, norėta tą kvazi-QGT panaudoti kombinuotam banginiam ir korkuspuliniam elektrono elgesio matavimui. Jei klasikinė geometrija aprašo paprastą objekto (tokio, kaip elektronas) formą, tai kvantinė geometrija bando aprašyti (ir išmatuoti) sudėtingesnę formą, paveikiančią tai, kaip objektas sąveikauja su kitais dalykais aplink jį. Tad plačios komandos iš JAV, Italijos, Korėjos narių tikslu buvo atvaizduoti dalelės tiek realiąją dalį (elektrono elgesio sukurtą paviršių), tiek menamą (veikiančių jėgų ir kvantinį kreivumą). Ir rezultatas atrodo kaip … draudžiamas keptas kiaušinis (iš tikro tai tokia medūza, Phacellophora camtschatica).

Elektronai buvo naudojami iš alavo ir kobalto lydinio, esančio kaip kristalinis kagomės metalas (t.y. paruošto kaip gardelė, primenantijaponiškas pintines), turintis kvantinių savybių. Tokie metaliniai dariniai naudojami, nes tinka būti kubitais ir turi kitas įdomias būsenas, tinkamas tyrinėjimams.

Gautame vaizde „trynys“ – tai kas vadinama Blocho sfera ir yra klasikine geometrine versija to, kas vyksta kubite. Tai tos kvantinės būsenos visas galimų elgsenų diapazonas. Elektrono kvazi-QGT išmatavimui buvo panaudotas tiek Pažangus šviesos šaltinis Nacionalinėje Lourenso laboratorijoje Berklyje, tiek „Elettra“ sinchrotronas Italijos šiaurės rytuose. Kai šviesa susiduria su tam tikromis medžiagomis tam tikromis sąlygomis, rezultatus galima užrašyti ir aiškintis kaip fotoemisinę spektroskopiją. Ir tai suveikė!

Nors pasiekimas iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti abstrakčiu, jis svarbus daugeliui kvantinių skaičiavimų, o ir kvantinių būsenų geresniam supratimui. Tai leis mokslininkas kurti naujas medžiagas, tokias kaip superlaidininkai ir kita.

Papildoma informacija:

¹⁾ Roberto Pečėjus (Roberto Daniele Peccei, g. 1942 ) – italų kilmės el. dalelių fizikas, kurio pagrindinė darbų sritis yra silpnoji elektros sąveika ir el. dalelių fizikos bei kosmologijos ryšis. Po 1971 m. dirbo Stanfordo un-te, kur kartu su E. Kvin sukūrė (paskelbtą 1977 m.) stipriosios CP problemos (kodėl kvantinėje chromodinamikoje nepažeidžiama CP simetrija) sprendimo teoriją įvesdami hipotetines aksionų el. daleles.

²⁾ Elena Kvin (Helen Rhoda Quinn, g. 1943) – australų kilmės el. dalelių fizikė, pasižymėjusi vieningos teorijos trims el. dalelių sąveikos tipams (stiprajai, silpnajai ir elektromagnetinei) paieškoje. Daugelyje šalių skaitė paskaitas tema „Trūkstama antimaterija“, laikydama, kad ši tyrimų sritis yra daug žadanti.

³⁾ Džonas Klauzeris (John Francis Clauser, g. 1942 m.) - amerikiečių fizikas teoretikas, žinomas indėliu į kvantinės mechanikos pagrindus, Nobelio premijos laureatas (2022). Kartu su S. Fridmanu 1972 m. atliko pirmąją Belo nelygybės patikrinimą. Nuo 1973 m. leido „Epistemological Letters“ laikraštį, nes pagrindiniai akademiniai žurnalai atsisakydavo skelbti straipsnius apie kvantinės mechanikos filosofiją. Nuo 2023 m. priklauso „CO2 Coalition“ grupei, teigiančiai CO₂ naudą ir neigiančioje klimato kaitą (nors jo požiūriai laikomi „pseudomoksliniais“). Savo pažiūromis yra ateistas.

⁴⁾ Antonas Cailingeris (Anton Zeilinger, g. 1945 m.) - austrų fizikas kvantinės teorijos srityje, pirmasis atlikęs fotonų kvantinę teleportaciją (1997), Nobelio premijos laureatas (2022). Vėliau tai išvystė, atlikęs kvantinę teleportaciją tarp dviejų Kanarų salų (144 km). Didžioji jo tyrimų dalis susijusi su kvantiniu susiejimu. 1998 m. jo grupė pirmoji kvantinę kriptografiją su susietais fotonais. Ankstyvieji jo darbai neutronų interferometrijos srityje padėjo pagrindus tolimesniems tyrimams šioje srityje.

Papildomai skaitykite:
Kvantinis chaosas
Papildomas matavimas
Gyvenimas po mirties
Trumpa laiko istorija
Vieningo lauko teorija
Pasikėsinimas į multivisatas
Kaip sukurti laiko mašiną?
Paulio draudimo principas
3-iojo tūkstantmečio mokslas
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Šriodingerio katė, kuri nenorėjo mirti
El. dalelių simetrija persmelkia viską
El. dalelės ir fundamentaliosios jėgos
Kvantinė mechanika: triumfas ar ribotumas?
Šriodingerio katinų dresiravimas: kvantiniai kompiuteriai
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Kaip vyko perėjimas iš nieko į būtį?
Kas padėjo tamsiosios materijos supratimui
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Juodosios skylės ne tokios jau ir juodos
Kvantinė chemija – ateities mokslas?
Antigravitacijos paieškų istorija
Bendroji reliatyvumo teorija
Nepaprasti Visatos skaičiai
Hadronų koliderio kūrėjas
Nekritinė stygų teorija
Lygiagrečios visatos
Hipotezės: sliekangės
Visatos mechanika
Kosminiai spinduliai
Greičiau už šviesą!
Laiko fenomenas
Visatos modeliai
Triukšmai

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life. Review of our site in English

NSO.LT svetainė
Vartiklis