Ας επιστρέψουμε σε αυτό που είναι η κβαντική μηχανική και πώς μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε.

Αόρατη θέα

Εντάξει, έτσι αισθάνεσαι καφές, είσαι σχεδόν ξύπνιος. Τα μάτια σας είναι έτοιμα για το φως της ημέρας, αναβοσβήνουν και αφήνουν λίγο φως. Όταν το σκεφτείτε, τα σωματίδια φωτός που εισέρχονται στο πρόσωπό σας και τα μάτια σας προέκυψαν πριν από ένα εκατομμύριο χρόνια στο κέντρο του ήλιου, τη στιγμή που οι πρόγονοί μας άρχισαν να χρησιμοποιούν φωτιά. Ο ήλιος δεν θα έστειλε ακόμη σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια εάν δεν ήταν απαραίτητα για το ίδιο φαινόμενο που θα μπορούσε να είναι η βάση της μυρωδιάς μας, κβαντική σήραγγα.

Σχετικά με 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα χωρίζει τον Ήλιο και τη Γη, τα φωτόνια διαρκεί μόλις οκτώ λεπτά για να ξεπεραστεί αυτή η απόσταση. Οι περισσότεροι από το ταξίδι τους, όμως, λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό του Ήλιου, όπου η χαρακτηριστική φωτόνιο ξοδεύει εκατομμύρια χρόνια και προσπαθούν να ξεφύγουν. Η μάζα στη συνέχεια διατηρείται στη μέση της τα αστέρια μας, όπου το υδρογόνο είναι περίπου 13 φορές πυκνότερο από μόλυβδο, και τα φωτόνια μπορούν να ταξιδέψουν μόνο απειροελάχιστα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου πριν απορροφηθεί ιόντα υδρογόνου, το οποίο στη συνέχεια εξαπολύει ένα φωτόνιο να ταξιδέψει από τον ήλιο, κ.λπ .. Μετά την δισεκατομμυρίων όπως οι αλληλεπιδράσεις των φωτονίων εμφανίζονται τελικά στην επιφάνεια του ήλιου, η οποία εδώ τον Σεπτέμβριο μετά από εκατομμύρια χρόνια.

Κβαντική Μηχανική (© Jay Smith)

Τα φωτόνια δεν θα προέκυπταν ποτέ και ο ήλιος δεν θα λάμπει αν δεν ήταν κβαντική σήραγγα. Ο ήλιος και όλα τα άλλα αστέρια δημιουργούν φως με πυρηνική σύντηξη, σπάζουν ιόντα υδρογόνου και δημιουργούν ήλιο με μια διαδικασία που απελευθερώνει ενέργεια. Κάθε δευτερόλεπτο, ο ήλιος μετατρέπεται σε περίπου 4 εκατομμυρίων τόνων μάζας. Μόνο τα ιόντα υδρογόνου, όπως τα απλά πρωτόνια, έχουν θετικά ηλεκτρικά φορτία και απωθείται η μία στην άλλη. Τόσο πώς μπορούν να συγχωνευτούν μεταξύ τους;
Στην κβαντική σήραγγα η κυματική φύση των πρωτονίων τους επιτρέπει να επικαλύπτονται μερικές φορές εύκολα ως κύματα που συνδέονται με την επιφάνεια της λίμνης. Ότι τα κύματα επικάλυψη πρωτονίων παρέχεται αρκετά κοντά έτσι ώστε πρόσθετη δύναμη όπως μια ισχυρή πυρηνική δύναμη που δρα μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις, μπορεί να ξεπεράσει την ηλεκτρική απώθηση των σωματιδίων. Τα πρωτόνια τότε καταρρέουν και απελευθερώνουν ένα φωτόνιο.

Τα μάτια μας είναι πολύ ευαίσθητα στα φωτόνια

Τα μάτια μας έχουν εξελιχθεί ώστε να είναι πολύ ευαίσθητα σε αυτά τα φωτόνια. Μερικά πρόσφατα πειράματα έχουν δείξει ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε μεμονωμένα φωτόνια, τα οποία δίνουν μια ενδιαφέρουσα επιλογή: θα μπορούσαν οι άνθρωποι να ανιχνεύσουν κάποιες ειδικές περιπτώσεις κβαντικής μηχανικής; Αυτό σημαίνει ότι ένα άτομο, όπως ένα φωτόνιο ή ηλεκτρονίων ή δυστυχισμένη γάτα του Schrödinger είναι νεκρή και ζωντανή ταυτόχρονα, αν εμπλέκονται άμεσα στον κβαντικό κόσμο; Πώς θα μπορούσε να μοιάζει μια τέτοια εμπειρία;

Το ανθρώπινο μάτι

"Δεν γνωρίζουμε γιατί κανείς δεν το έχει δοκιμάσει", λέει η Rebecca Holmes, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos στο Νέο Μεξικό. Πριν από τρία χρόνια, αποφοίτησε από το Πανεπιστήμιο του Illinois at Urbana-Champaign, Χολμς ήταν μέρος μιας ομάδας με επικεφαλής τον Paul Kwiat, η οποία έδειξε ότι οι άνθρωποι μπορούν να ανιχνεύσουν μικρό λάμψεις φωτός, που αποτελείται από τρία φωτόνια. Σε 2016 διαπίστωσε ότι οι ανταγωνιστές ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον φυσικό Alipas Vaziriovou στο Πανεπιστήμιο Rockefeller στη Νέα Υόρκη διαπίστωσαν ότι οι άνθρωποι βλέπουν στην πραγματικότητα, ακόμη και μεμονωμένα φωτόνια. Βλέπουμε, ωστόσο, ότι η εμπειρία δεν μπορεί να περιγραφεί με ακρίβεια. Βαζάρη, προσπάθησε να δει τα φωτόνια και αναγγέλλει στο περιοδικό Nature: "Δεν είναι σαν να βλέπεις το φως. Είναι σχεδόν ένα αίσθημα στο κατώφλι της φαντασίας. "

Κβαντομηχανική - πειράματα

Στο εγγύς μέλλον, οι Holmes και Vaziri αναμένουν πειράματα για να ελέγξουν τι αντιλαμβάνονται οι άνθρωποι όταν τα φωτόνια εισάγονται σε ειδικές κβαντικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, οι φυσικοί μπορούν να συνδέσουν ένα μόνο φωτόνιο με αυτό που ονομάζουν υπέρθεση, όπου τα φωτόνια υπάρχουν ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικές θέσεις. Ο Χολμς και οι συνάδελφοί του πρότειναν ένα πείραμα που περιλαμβάνει δύο σενάρια για να ελεγχθεί αν οι άνθρωποι θα μπορούσαν να αντιληφθούν την υπέρθεση των φωτονίων άμεσα. Στο πρώτο σενάριο, ένα φωτόνιο θα φθάσει είτε στην αριστερή είτε στη δεξιά πλευρά του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς, και κάποιος θα παρατηρήσει σε ποια πλευρά του αμφιβληστροειδούς ένα φωτόνιο έγινε αισθητό. Στο δεύτερο σενάριο, το φωτόνιο θα τοποθετηθεί σε μια κβαντική υπέρθεση που θα του επέτρεπε να φαίνεται φαινομενικά αδύνατο - να πετάξει ταυτόχρονα στις δεξίες και τις αριστερές πλευρές του αμφιβληστροειδούς.

Θα βρεθεί φως και στις δύο πλευρές του αμφιβληστροειδούς; Ή θα μπορούσε η αλληλεπίδραση φωτονίων στο μάτι να προκαλέσει την κατάρρευση της επικάλυψης; Αν ναι, θα ήταν τόσο συχνά στα δεξιά όσο και στα αριστερά, όπως προτείνει η θεωρία;

Η Rebecca Holmes λέει:

"Με βάση την κβαντική μηχανική, το φωτόνιο της υπέρθεσης πιθανώς δεν θα φαίνεται διαφορετικό από το πραγματικά τυχαία απεσταλμένο φωτόνιο προς τα αριστερά ή τα δεξιά".

Αν αποδειχθεί ότι ορισμένοι από τους συμμετέχοντες στο πείραμα αντιλήφθηκαν πραγματικά το φωτόνιο και στις δύο θέσεις ταυτόχρονα, σημαίνει ότι ο ίδιος ο άνθρωπος ήταν σε κβαντική κατάσταση;

Rebecca Holmes προσθέτει:

"Θα μπορούσε να ειπωθεί ότι ο παρατηρητής ήταν μόνος στην κβαντική υπέρθεση σε ελαφρώς αμελητέο χρόνο, αλλά κανείς δεν το έχει δοκιμάσει ακόμα, οπότε δεν γνωρίζουμε. Γι 'αυτό μπορούμε να κάνουμε ένα τέτοιο πείραμα. "

Αντιλαμβάνεστε τον δικό σας τρόπο

Τώρα, ας πάμε πίσω στο φλιτζάνι καφέ. Αισθανθείτε την κούπα σαν ένα συμπαγές κομμάτι υλικού, σταθερά σε επαφή με το δέρμα του χεριού σας. Αλλά είναι απλώς μια ψευδαίσθηση. Ποτέ δεν αγγίζουμε τίποτα, τουλάχιστον όχι με την έννοια των δύο στερεών τεμαχίων της ύλης που αγγίζουν. Περισσότερο από το 99,9999999999 τοις εκατό ενός ατόμου αποτελείται από έναν κενό χώρο, με σχεδόν όλη τη μάζα να επικεντρώνεται στον πυρήνα.

Κβαντική Μηχανική (© Jay Smith)

Όταν κρατάτε ένα φλιτζάνι με τα χέρια σας, φαίνεται ότι του η αντοχή προέρχεται από την αντίσταση των ηλεκτρονίων στο κύπελλο και στο χέρι. Τα ίδια τα ηλεκτρόνια δεν έχουν καθόλου όγκο, είναι μόνο οι φαινομενικά μηδενικές διαστάσεις του αρνητικού πεδίου ηλεκτρικού φορτίου που περιβάλλουν τα άτομα και τα μόρια σαν ένα σύννεφο. Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής περιορίζονται σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας γύρω από τα άτομα και τα μόρια. Καθώς το χέρι αρπάζει το κύπελλο, ωθεί τα ηλεκτρόνια από το ένα επίπεδο στο άλλο και απαιτεί την ενέργεια των μυών που ο εγκέφαλος ερμηνεύει ως αντίσταση όταν αγγίζει κάτι σταθερό.

Η αίσθηση της επαφής μας βασίζεται σε μια εξαιρετικά πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων γύρω από τα μόρια του σώματός μας και των μορίων των αντικειμένων που αγγίζουμε. Από αυτές τις πληροφορίες, ο εγκέφαλός μας δημιουργεί την ψευδαίσθηση ότι έχουμε ένα στερεό σώμα που κινείται γύρω από έναν κόσμο γεμάτο από άλλα στερεά αντικείμενα. Η επαφή μαζί τους δεν μας δίνει μια ακριβή αίσθηση της πραγματικότητας. Είναι πιθανό ότι καμία από τις αντιλήψεις μας δεν αντιστοιχεί σε αυτό που πραγματικά συμβαίνει. Ο Ντόναλντ Χόφμαν, ένας γνωστικός νευρολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, πιστεύει ότι οι αισθήσεις και ο εγκέφαλός μας έχουν εξελιχθεί για να αποκρύψουν την πραγματική φύση της πραγματικότητας και όχι να την αποκαλύψουν.

"Η ιδέα μου είναι ότι το γεγονός, ό, τι κι αν είναι, είναι πολύ περίπλοκο και χρειάζεται πολύς χρόνος και ενέργεια για να το επεξεργαστούμε".

Σύγκριση μιας παγκόσμιας εικόνας στον εγκέφαλο με μια γραφική διεπαφή στον υπολογιστή

Ο Hoffman συγκρίνει την εικόνα της κατασκευής του κόσμου στον εγκέφαλό μας με τη γραφική διεπαφή στην οθόνη του υπολογιστή. Όλα τα εικονίδια χρώματος στην οθόνη, όπως το καλάθι, ο δείκτης του ποντικιού και ο φάκελος αρχείων, δεν σχετίζονται καθόλου με αυτό που πραγματικά συμβαίνει μέσα στον υπολογιστή. Είναι απλές αφαιρέσεις, απλοποιήσεις που μας επιτρέπουν να επικοινωνούμε με πολύπλοκα ηλεκτρονικά.

Σύμφωνα με την άποψη του Hoffman, η εξέλιξη άλλαξε τον εγκέφαλό μας ώστε να λειτουργήσει ακριβώς όπως μια γραφική διεπαφή που δεν παράγει τον κόσμο αρκετά πιστά. Η εξέλιξη δεν υποστηρίζει την ανάπτυξη της ακριβούς αντίληψης, χρησιμοποιεί μόνο ό, τι επιτρέπει την επιβίωση.

Όπως λέει ο Hoffman:

"Το έντυπο κυριαρχεί στην πραγματικότητα".

Ο Hoffman και οι μεταπτυχιακοί του σπουδαστές έχουν δοκιμάσει εκατοντάδες χιλιάδες μοντέλα υπολογιστών τα τελευταία χρόνια για να δοκιμάσουν τις ιδέες τους σε προσομοιώσεις τεχνητών μορφών ζωής αμφισβητώντας περιορισμένους πόρους. Σε κάθε περίπτωση, οι οργανισμοί είναι προγραμματισμένοι να δίνουν προτίμηση στη φυσική κατάσταση, όταν οι πραγματικότητες δεν είναι οι ίδιες με αυτές που γίνονται για ακριβή αντίληψη.

Για παράδειγμα, εάν ένας οργανισμός κατασκευαστεί για να αντιληφθεί με ακρίβεια, για παράδειγμα, το συνολικό ποσό του νερού που υπάρχει στο περιβάλλον, και τρέχει σε έναν οργανισμό ο οποίος είναι συντονισμένος να ανιχνεύει κάτι πιο απλό, π.χ. η βέλτιστη ποσότητα του νερού που χρειάζεται για να παραμείνουν ζωντανοί. Έτσι, αν ένας οργανισμός μπορούσε να δημιουργήσει μια ακριβέστερη μορφή πραγματικότητας, αυτή η ιδιότητα δεν αυξάνει την ικανότητα επιβίωσης. Η μελέτη του Hoffman τον οδήγησε σε ένα αξιοσημείωτο συμπέρασμα:

"Στο βαθμό που είμαστε συντονισμένοι για να διατηρήσουμε τη ζωή, δεν θα είμαστε εναρμονισμένοι με την πραγματικότητα. Δεν μπορούμε να το κάνουμε. "

Κβαντική θεωρία

Οι ιδέες του συμπίπτουν με αυτό που ορισμένοι φυσικοί θεωρούν ότι είναι η κεντρική ιδέα της κβαντικής θεωρίας - η αντίληψη της πραγματικότητας δεν είναι εντελώς αντικειμενική, δεν μπορούμε να χωριστούμε από τον κόσμο που παρατηρούμε.

Ο Hoffman βλέπει πλήρως αυτήν την άποψη:

"Το διάστημα είναι απλώς μια δομή δεδομένων και τα φυσικά αντικείμενα αποτελούν από μόνα τους τις δομές δεδομένων που δημιουργούμε κατά την πτήση. Όταν κοιτάω έναν λόφο, δημιουργώ αυτή τη δομή δεδομένων. Στη συνέχεια, κοιτάζω αλλού και σπάζω αυτή τη δομή δεδομένων, γιατί δεν το χρειάζομαι πια. "

Όπως δείχνει το έργο του Hoffman, δεν έχουμε ακόμη εξετάσει το πλήρες νόημα της κβαντικής θεωρίας και τι λέει για τη φύση της πραγματικότητας. Για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του, ο ίδιος ο Planck προσπάθησε να καταλάβει τη θεωρία που βοήθησε να δημιουργήσει και πάντα πίστευε σε μια αντικειμενική αντίληψη του σύμπαντος που υπήρχε ανεξάρτητα από εμάς.

Έγραψε κάποτε για το γιατί αποφάσισε να αφιερώσει τον εαυτό του στη φυσική, ενάντια στη συμβουλή του δασκάλου του:

«Ο εξωτερικός κόσμος είναι κάτι ανεξάρτητος από τον άνθρωπο, είναι κάτι απόλυτο και η αναζήτηση των νόμων που ισχύουν γι 'αυτό μου φαίνεται απολύτως η πιο υψηλή επιστημονική εμπειρία της ζωής».

Ίσως θα χρειαστεί ένας άλλος αιώνας πριν από μια άλλη επανάσταση στη φυσική αποδεικνύει εάν ήταν σωστός ή λάθος, όπως ο καθηγητής του Philip von Jolly.