Popüler Bilim: Çift yarık girişim deneyinin dehşeti nerede?
Aşağıdaki yanıt, ilginç (korkunç) çift yarık girişim deneyini açıklayabilen "Schrödinger'in Kedisi Hakkında Her Şey" adlı makalemin bir parçası ~
Ardından, Schrödinger'in kedisinin mikro dünyadaki durumunu göstermek için gerçek bir deney kullanıyoruz. Elektronik çift yarık girişim deneyi.
Bu deneyden bahsetmeden önce, düşüncelerimizin çok fazla farklılaşmasına izin vermemek için, tüm düşüncelerimizin iki şeyi açıklamaya odaklanması gerektiğini hatırlamalıyız: Olasılık ,ile Gözlemlenen Görevi .
Çift yarık girişim deneyini lise fiziğinde hepimiz öğrendik: Tamamen karanlık bir gizli odada iki benzer dar yarığa bir ışık demeti fırlatmaktır ve arka ekranda parlak ve karanlık saçaklar (girişim saçakları) görünecektir. Işığın bir dalga olduğunu kanıtlamak için. Çünkü tüm dalgalar (ses dalgaları, su dalgalanmaları, elektromanyetik dalgalar, vb.) İki dar yarıktan geçtikten sonra, sürekli olarak üst üste gelecekler (tepe + tepe veya çukur) ve birbirini götürür (dalga tepesi + çukur) ve sonunda açık ve koyu şeritler oluşturur. . Daha sonra Einstein, ışığın da fotoelektrik etkiden dolayı bir tür parçacık olduğunu doğruladı ve böylece önemli kuantum mekaniği kavramı olan mikroskobik parçacıkların "dalga-parçacık ikiliği" nin temelini attı. "Dalga-parçacık ikiliği" artık yaygın olarak bilinmesine rağmen, aslında bu sağduyuya çok aykırı ... Işığı elektronlarla değiştirdiğimiz sürece, bu şeyin ne kadar tuhaf olduğunu anlayabiliriz.
Hepimiz bir elektronun negatif yüklü ve çekirdek etrafında hareket eden bir parçacık olduğunu biliyoruz. 1920'lerde yapılan deneyler, bir elektron demetinin, çift yarık deneyinde bir ışık demeti gibi girişim saçakları bırakabileceğini ve böylece elektronların da bir tür dalga olduğunu ve dalga-parçacık ikiliğine sahip olduğunu kanıtladı. Bu lise fizik bilgisi gibi görünüyor ve ilk bakışta şok edici bir şey yok gibi görünüyor.
Ama şimdi deney biçimini biraz değiştirelim, bir elektron akışı yaymak yerine, her seferinde sadece bir elektron yaymak yerine ne olacak? Elektronları tek tek yaymanın bu yolu, atış poligonundaki bir hedefi vurmak gibidir. Hedefin ortasında iki yarık varsa ve ardından mermileri tüfekle teker teker ateşlerse mikro ve makro dünyalardaki benzerlik ve farklılıkları aynı anda gözlemleyebiliriz. Boşluktan geçen elektron ekranda parlak bir nokta bırakacak ve ardından ikinci bir elektron yayacaktır. Hedef üzerindeki boşluktan geçen mermi, ikinci bir mermi atmadan önce arkasındaki duvarda da bir delik bırakacaktır.
Atış poligonunda, attığımız mermi sayısı arttıkça, sol ve sağ boşluklardan geçen mermiler duvarda giderek daha fazla mermi deliği oluşturacaktır (tabii ki birçok mermi boşluktan geçmemiş ve hedef tarafından engellenmiştir) ve bu mermiler Delikler ilk başta düzensiz olabilir, ancak yavaş yavaş sola (soldaki boşluktan geçerek) ve bazıları sağa (sağdaki boşluktan geçerek) dönüşürler. Nişancılığınız yeterince iyiyse, solda daha fazla ve sağda daha az (sadece soldaki boşluğu hedefleyerek) veya sağda daha fazlası ve solda daha az olabilir (sadece sağdaki boşluğu hedefleyerek). Kısacası, duvarda sağda ve solda iki yığın kurşun deliği olacak.
Ancak laboratuvarda elektronik tamamen farklı bir yön sunar. Başlangıçta tıpkı mermi atışı gibi, ekrandaki boşluktan geçen elektronların bıraktığı parlak noktalar herhangi bir düzenlilik göstermiyordu, ancak yavaş yavaş bir düzenlilik görünmeye başladı, ancak sol ve sağdaki iki parlak nokta yerine parlak, karanlık, parlak ve karanlıktı. .... Girişim saçakları!
Doğru, teker teker fırlatmak, sonunda dalga benzeri özellikleri gösterecektir! Ama bu nasıl mümkün olabilir? Bir seferde sadece bir elektron yayıldığında, her elektron sonunda "parlak" bir alana mı yoksa "karanlık" bir alana mı uçacağını nasıl bilir? Dahası, iki dalga arasındaki girişim tarafından girişim saçakları üretilir, bir seferde sadece bir elektron yayılır, kime müdahale eder? Kendinle mi? Evet, kendinize müdahale edin.
Söylememiz gereken ilk anahtar bu, Olasılık (Kuantum mekaniğinde dalga fonksiyonu ile tanımlanmıştır). Kuantum mekaniğinin açıklaması, elektronun sol ve sağ boşluğa ulaştığında böyle bir durumda olmasıdır: sol boşluktan ve sağ boşluktan geçer ve her iki boşluktan aynı anda geçer, ancak ikisinden de geçmez. Bu dört olası eşzamanlı "üst üste binme durumu" içindedir ve her olası durum bir olasılığa karşılık gelir.
Mermilerin boşluktan birer birer geçtiğini ve elektronların boşluktan birer birer geçtiğini anlamak hala zor, nasıl bu kadar farklı olabilir? Atış poligonuna yüksek hızlı bir kamera koyarsak, merminin hangi boşluktan geçtiğini görebiliriz. Benzer şekilde elektronun iki boşluktan geçtiği konuma birini yerleştirin.Elektronun hangi yarıktan geçtiğini de görebiliyor musunuz? Evet, yüksek hızlı bir kameranın gözünden hiçbir şey kaçamaz, elektronlar tek tek yayıldığından, elektronların nereden geçtiğini kamerada görebiliriz. Ancak ekrana geri döndüğünüzde, tanıdık girişim saçakları ortadan kayboldu! ! Mermi delikleriyle aynı olan yalnızca iki yığın parlak nokta vardır. Yüksek hızlı kamerayı çıkardığımızda ve elektron yaymaya devam ettiğimizde, girişim saçakları yeniden ortaya çıktı! Çok hızlı olmayan ve bu kadar net göremeyen orta ve yüksek hızlı bir kameraya geçsek bile, parazit saçakları soluklaşacak! Hiçbir şey gibi görünmüyor! Elektronlar, sahip olduğumuz ruh gibi, her hareketimizin tamamen farkındadır.
Bu söylemek istediğimiz ikinci anahtar, Gözlemlenen (Kuantum mekaniğinde ölçüm denir). Kameranın işlevi, bu kişinin öznel hareketlerini gözlemlemektir. Bu aynı zamanda kuantum mekaniğini gizemli kılan ana faktörlerden biridir. Gözlem yapmadığınız zaman, kuantum size belirsiz, olasılıksal bir sonuç verir. Ve gözlemlediğinizde, kuantum size kesin, benzersiz bir sonuç verir. İnsan öznel iradesinin mikroskobik kuantum dünyasındaki belirleyici rolünün gerçek deneysel sonucu, bu dünyaya bakışımızı temelden yeniden incelememize izin verir. Gördüğümüz dünya, gerçek dünyadaki sayısız olasılıktan yalnızca biri mi? Önümüzdeki dünyayı görmemize izin veren öznel irademiz mi? "Görüyorsun çünkü görmek istiyorsun." Bilinç gerçekten maddeyi belirleyebilir mi?
Felsefi meselelerin tartışmasına girmeden önce, öncelikle gözlemin burada neden belirleyici bir rol oynadığını anlamalıyız? Gözlemlediğimiz anda ne oldu?
3.
Günlük hayatımızda "gözlem" veya "görmek" dediğimiz şey, aslında ışıkla ışınlanmış nesnelerin gözümüzün retinasına yansıması veya dağınık bir şekilde yansımasıdır. Işığın dalga boyu 380nm ile 760nm arasındaki görünür ışık aralığında ise "görebiliriz" Bu nesne. Gözümüze yansıyan ışık "fotonlardan" oluşur. Aynısı kamera için de geçerlidir, ışık objektife yansır ve filme ulaşarak bir görüntü oluşturur. Işık olmadan, ne gözler ne de kamera "görebilir" (gece görüş cihazları, tamamen yok olmaktan ziyade insan gözüyle görülemeyen kızılötesi ışığı da yakalar). Görsel bir benzetme yaparsak, bir elma gördüğümüzde, sayısız foton elmanın yüzeyine çarpar ve sıçrar. Gözümüze yansıyan ve görünür ışık aralığına ait olan fotonlar retinamızı uyarır ve sonunda görmemize izin verir. ".
Aynı durumu tekrar elektronik laboratuvara koyduğumuzda durum nasıl farklı olacak? Fotonlar veya diğer maddeler (mercek tarafından algılanabilen diğer elektromanyetik dalgalar gibi) elektronları "etkilediği" ve "görülmesi" için merceğe yansıdığı için, yüksek hızlı kameralar elektronların geçtiği boşluğu yakalayabilir. Bununla birlikte, makroskopik dünyanın aksine, elektronlar o kadar küçüktür ki, sadece 10 ^ -18 metrekare, fotonların onun üzerindeki etkisi bir elmaya çarpmak kadar önemsiz olmayacak, ancak elektronun durumunu derinden değiştirecek. İnsan gözünün kendisi yüksek hızlı kamera gibi yüksek hızlı kayıt yapabiliyorsa, sonuç aynıdır.Gözlemcinin gözlem davranışı, gözlemlenen nesneyi derinden etkileyecektir. Bu nedenle, elektronları "nesnel olarak" gözlemlemeyi ve ölçmeyi ummamıza rağmen, yalnızca ciddi şekilde değiştirilmiş belirsiz bir ölçüm sonucu elde edebiliriz. Bu ilke, belirsizlik ilkesi olarak da adlandırılan ünlü "belirsizlik ilkesi" dir. Bu nedenle, görünüşte öznel olan gözlem bilinci, kuantum deneylerinde belirleyici bir rol oynar.
Aslında, makro dünyadaki belirsizlik ilkesini de anlayabiliriz. Bir elbisenin mavi olduğunu söylediğimizde, gerçekten mavi mi? Gün ışığında insan görüşünde mavidir, ancak kırmızı fenerlerle dolu bir odada bu etek mordur. Bir köpek ya da kedi için bu elbise gridir ve bir yusufçuk size bunun renkli bir elbise olduğunu söyleyecektir. Dolayısıyla bu elbisenin gerçek rengini, nesnel rengini ve esas rengini sormaya çalıştığımızda, anlamsız görünüyor çünkü bu, gözlem davranışı ve gözlemci ile ilgili. Eteğin rengini gözlemcinin belirlediği söylenebilir.
"Gözlemin" elektronlar üzerindeki derin etkisini anlıyor gibiyiz. Peki bu etki neden parazit saçaklarının görünümünü etkilemeden parçacık özelliklerinin yok olmasına izin vermek yerine elektronların "dalga" özelliklerini yok edip parazit saçaklarının kaybolmasına neden oluyor?
Elektronun hangi boşluktan geçtiğini gözlemlediğimizde, aslında "konum" bilgisini ölçüyoruz ve konum bilgisi parçacığın özelliğidir. Örneğin, bir bardağın masadaki yerini tam olarak gösterebilirsiniz, ancak dalgaların nerede olduğunu bilemezsiniz - her yerdedir. Bu nedenle, elektronun hangi boşluktan geçtiğini ölçmeye çalıştığımızda, elektronun parçacık yapısının ölçülmesinin amacını gösterir ve bu sırada uçuculuk ortadan kalkar.
Bu nedenle, uçuculuğu gözlemlemek için kullanılan çift yarık girişim deneyinde, elektronlar uçuculuk sergiler ve girişim saçakları sunar. Elektronların konum bilgilerini yani parçacık özelliklerini gözlemlemek için bir kamera olduğunda, elektronlar çift yarık deneyinde parçacık özellikleri sergilerler ve iki parlak nokta bırakırlar. Elektronlar, dalga-parçacık ikiliğine sahiptir, ancak ölçümde birbirlerini yalnızca kuantum mekaniğinde tamamlayıcılık ilkesi olarak adlandırılan karakteristik bir özelliği göstermek için iterler.
Belirsizlik ilkesi, tamamlayıcılık ilkesi ve yukarıda bahsedilen olasılık, kuantum mekaniğinin "Kopenhag Yorumu" nu oluşturan temel teorilerdir.
