Işık, kahve ve kuantum dünyası
Bu makale, "İlkeler" (WeChat genel hesabı: principalia1687) yetkisiyle çoğaltılmıştır,
İkinci yeniden basım yasaktır.
1878'de gençken Planck (Max Planck) Profesör Philipp von Jolly'ye fizik araştırmalarına devam edip etmeyeceğini sorduğunda, profesör ona başka bir iş bulmasını tavsiye etti, çünkü fizik "bazı köşelerde, burada veya orada ilerlemeye devam edebilir. Biraz toparlayın, ancak tüm sistem kararlı. Açıktır ki, teorik fizik tamamlanmaya yaklaşıyor. "
Gerçekler, ince ayarlı çalışmanın sadece birazcıkını iyi yapmanın Planck'ın Nobel Fizik Ödülü'nü kazanmasına izin verdiğini ve kuantum mekaniğinin doğuşuna yol açtığını kanıtladı. O zamanlar fizikçilerin biraz sorunları vardı, çok yaygın bir fenomendi: Nesneler ısıtıldığında neden böyle parlıyor? Tüm malzemeler, ne oluşursa oluşsun, sıcaklık arttıkça aynı davranışı sergiler: kırmızı, sarı ve beyaz. 19. yüzyılın fizikçileri, görünüşte basit olan bu süreci açıklayamadılar.
O zamanki en iyi teori, aşırı yüksek sıcaklıklara sahip nesnelerin sonsuz kısa dalga boylu enerji açığa çıkaracağını öngörüyordu, ancak elbette, filaman güçlü bir akımla ısıtılsa bile, onu ölüm ışınlarını fırlatan bir nesneye dönüştüremeyeceğini biliyorduk. Bu soru hakkında kafam karıştı ve buna " UV felaketi ".
1900'de Planck bir cevap buldu, tahmin etti, Enerji yalnızca ayrık "kuantum" formlarında emilebilir veya yayılabilir . Enerji kuantumu, herhangi bir sıcaklıkta yüksek sıcaklıktaki nesneler tarafından salınan enerjiyi etkili bir şekilde sınırlandırarak ultraviyole felaketleri sorununun çözülmesini kolaylaştırır. Bu, sözde klasik fizikten tamamen farklıdır, çünkü klasik fizik enerji akışının pürüzsüz ve sürekli olduğuna inanır.
Böylece kuantum devrimi başladı. On yıllar boyunca, Einstein , Heisenberg , Bohr Planck'ın ilhamını aşamalı olarak eksiksiz bir teoriye dönüştürmek için diğer fizikçilerle çok zaman geçirdim, ancak her şey kimse nesne ısıtıldığında ne olduğunu anlamadığında başladı.
Sonuç Kuantum teorisi İşlenmiş parçacıkların boyutu ve enerji seviyesi o kadar küçüktür ki, günlük deneyimlerimizin dışındadır ve biz memelilerin donuk duyuları tarafından neredeyse algılanamaz. Ancak, tamamen görünmez değildir! Ateşli güneşten gelen ışık ve uzaktaki yıldızların parıltısı gibi bazı kuantum etkileri, görüş alanımızda açıkça gizlidir.
Günlük hayatta ne kadar kuantum dünyası deneyimleyebiliriz? Duyularımız dünyanın gerçek doğası hakkında ne tür bilgiler toplar? Aslında, burun, göz ve cilt gibi duyularımızda kuantum fenomeni meydana gelir.
Farklı kokuları nasıl koklarız?
Osmanthus'un tatlı ve yağlı kokusunu ya da biber ve balık kafasının dumanlı kokusunu duyduğunuzda burnunuzda neler oluyor? Burun hakkında çok az şey biliyoruz, dünyanın ilk nükleer reaktörünü yapan fizikçi bile Fermi , Bir keresinde soğanları kızartırken arkadaşlarıma iç geçirdim, kokunun nasıl çalıştığını anlamak ne kadar eğlenceli olurdu.
Sıcak öğleden sonra, birisi yakın bir şekilde size bir fincan kahve pişirir. Yumuşak moleküller havada süzülür. Burun deliklerinizde bu molekülleri solursunuz. Burun boşluğundaki mukusa bağlanırlar ve koku nöronlarını gömerler. Koku alma nöronları beyinden denizanasının dokunaçları gibi sarkar ve merkezi sinir sisteminin sürekli olarak dış ortama maruz kalan tek parçasıdır.
Bu moleküllerin koku alma nöronlarının yüzeyindeki 400 farklı reseptörden bazılarına bağlandığını biliyoruz, ancak bu temas koku duyumuzu nasıl üretir? Aslında çok net değiliz.
Kokunun nasıl çalıştığına dair geleneksel açıklama basit görünüyor: Alıcılar özel şekil Moleküler bağlanma Tıpkı sadece doğru anahtarın bir kilidi açabileceği gibi. Bu modele göre, kahve fincanınızdan kaçan her molekül, burnunuzdaki bir dizi spesifik reseptöre tam olarak uyar. Molekül, koku alma nöronundaki reseptöre bağlanır ve beyin aktivasyon sinyalini alır ve bunu kahve kokusu olarak yorumlar. Başka bir deyişle, Moleküllerin şeklini koklarız .
Ancak bu modelin temel bir sorunu var: Tamamen farklı şekil ve bileşime sahip moleküller aynı kokuyu üretecek. Koku duyusu, moleküler şekillerden daha fazla şey içeriyor gibi görünüyor, ama bu nedir?
Hala tartışmalı bir görüş, koku alma algısının aynı zamanda Moleküller nasıl titreşir? ilişkili. Farklı yapılara göre, tüm moleküller sürekli olarak farklı hızlarda titreşir. Burnumuz titreşim frekansındaki bu farklılıkları bir şekilde algılayabilir mi?
Bilim adamları, kükürt bileşiklerinin kendine özgü kokuları ve karakteristik moleküler titreşimlere sahip olduğunu, bor içeren başka bir molekülün ise farklı bir şekle sahip olduğunu ancak titreşim frekansının aynı olduğunu keşfettiler.Şaşırtıcı bir şekilde, bor içeren moleküller de kükürt kokusu yayıyorlar. Başka bir deneyde, bilim adamları misk gibi bir parfümdeki bazı hidrojen moleküllerini döteryum ile değiştirdiler - döteryum bir hidrojen izotopudur ve fazladan bir nötron içerir - ve insanların farkı koklayabildiğini keşfettiler. Hidrojen ve döteryum aynı şekle ancak farklı titreşim frekanslarına sahiptir, bu da burnumuzun gerçekten titreşimi algılayabildiğini gösterir.
Koku duyusunun moleküler titreşimi algılayabileceği fikri hala tartışmalıdır, ancak eğer öyleyse, Burnumuz moleküler titreşimleri nasıl algılar? ? Bilim adamları, bunun sözde Kuantum tünelleme etkisi .
Kuantum mekaniğinde, elektronlar ve diğer tüm parçacıklar Dalga-parçacık ikiliği Hem parçacık hem de dalgadır. Bu bazen elektronların materyal içinde klasik fizik kurallarının yasakladığı şekillerde yayılmasına ve dolaşmasına izin verir. Koku moleküllerinin titreşimi, elektronları koku reseptörünün bir bölümünden diğerine tünellemek için doğru enerjiyi sağlayabilir. Farklı moleküller için tünel açma olasılığı farklıdır , Bu, sinir uyarılarını tetikler ve beyinde farklı kokuların algılanmasını sağlar.
O halde burnumuza gizlenmiş, sofistike bir elektronik detektör olabilir. Bununla birlikte, burunlarımız kuantum tekilliklerini kullanmak için nasıl evrimleşti? Bilim adamları, yaşamın bilgeliğini ancak birkaç kat küçümseyebileceğimize inanıyor.4 milyar yıllık doğal evrim, uzun bir araştırma ve geliştirme süresidir, bu nedenle, bu yaşamla ilgili en şaşırtıcı şey değil.
Işığı nasıl görüyoruz?
Hala öğleden sonra güneşindesiniz, sıcak bir kahve fincanı tutuyorsunuz ve pencereden gelen ışığın gözlerinize girmesine izin vermek için yanıp sönüyorsunuz. Bu fotonlar 8 dakikadan biraz fazla sürdü, güneş ile dünya arasındaki yaklaşık 150 milyon kilometreyi geçerek gözlerinize girdiler. Ancak bu fotonların yolculuğunun çoğu aslında güneşin içinde gerçekleşti, ondan önce güneşten kaçmaları 1 milyon yıl sürdü ve o sırada insan olmayan atalarımız ateşi kullanmaya başladı.
Güneşin çekirdeğinde madde çok yoğundur.Fotonlar, hidrojen iyonları tarafından emilmeden önce ancak sonsuz kısa bir süre seyahat edebilirler, daha sonra bu süreç bir foton yayar ve bu hızla sona eren bu yolculuğa zamanın sonuna kadar tekrar girer. Kuantum tünelleme etkisi olmasaydı, güneş bu fotonları asla yaymazdı. Bununla birlikte, yaklaşık 1021 etkileşimden sonra nihayet, uzun ve dolambaçlı bir yoldan sonra güneşin yüzeyinden bir foton ortaya çıktı.
Güneş ve diğer tüm yıldızlar nükleer füzyon reaksiyonları yoluyla ışık üretirler: Hidrojen iyonları (protonlar) helyum oluşturmak için çarpışırlar Bu süreç enerji açığa çıkarır Güneş her saniye yaklaşık 4 milyon ton maddeyi enerjiye dönüştürür. Ancak hidrojen iyonları, yani tek tek protonlar pozitif yükler taşır ve doğal olarak birbirlerini iterler, nasıl kaynaşabilirler?
Kuantum tünellemede, protonların dalgalı özellikleri, tıpkı bir göletin yüzeyindeki dalgacıklar gibi hafifçe üst üste gelmelerine izin verir.Bu örtüşme, proton dalgalarını yeterince yakın hale getirir, böylece diğeri yalnızca çok kısa bir mesafede etkili olur, aynı zamanda Daha güçlü kuvvet Nükleer güç Protonlar arasındaki elektriksel itmenin üstesinden gelebilir ve son olarak, protonlar kaynaşarak bir foton salgılar.
Gözlerimiz bu fotonlara çok duyarlı olacak şekilde gelişti. Son zamanlarda yapılan bazı deneyler, gözlerimizin tek bir fotonu bile algılayabildiğini göstermiştir. Bu ilginç bir olasılığı ortaya çıkarıyor: İnsanlar kuantum mekaniğinin bazı tuhaf özelliklerini test etmek için kullanılabilir mi? Başka bir deyişle, kişi benzeri fotonlar, elektronlar veya Schrödinger'in hem ölü hem de diri olan talihsiz kedisi kuantum dünyasına doğrudan katılabilir mi? Bu deneyim neye benzer?
Rockefeller Üniversitesi'nden fizikçi Alipasha Vaziri 2016'da, insanların gerçekten de tek bir fotonu görebildiğini araştırdı. Ancak, bu deneyimi tam olarak tanımlayamayabilir. Tek bir fotonu görmek ışığı görmekle aynı şey değildir. Neredeyse hayal edilmiş bir duygu.
Yakın gelecekte, bilim adamları, fotonlar garip bir kuantum durumuna girdiğinde insanların algılayacağı şeyi test etmek için deneylerden geçmeyi umuyorlar. Örneğin, bir fizikçi tek bir fotonu sözde Süperpozisyon durumu , hangisi Aynı anda iki farklı yerde tek bir foton var . İnsanlar, fotonların süperpozisyonunu doğrudan algılayabilir mi? ? Bilim adamları iki deneysel senaryo önerdiler:
Bir durumda, fotonlar bir kişinin retinasının sol veya sağ tarafına girecek ve kişi, fotonu retinanın hangi tarafında hissettiğini fark edecektir. Başka bir durumda, foton kuantum süperpozisyon durumuna yerleştirilerek, görünüşte imkansız olan görevi tamamlamasını sağlar: retinanın sol ve sağ taraflarına aynı anda ulaşmak.
Peki bu kişi ışığı retinanın her iki tarafında da algılayacak mı? Ya da fizikçilerin dediği gibi, foton ve gözün etkileşimi süperpozisyonun bu pozisyonlardan birine "çökmesine" neden olur mu? Öyleyse, fotonlar teori tarafından öngörüldüğü kadar sıklıkta retinanın sol ve sağ tarafında görünecek mi?
Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Rebecca Holmes şöyle açıkladı: Standart kuantum mekaniğine göre, süperpozisyon halindeki bir foton, sola ve sağa rastgele fotonlar yaymaktan farklı görünmeyebilir. Eğer deneye katılan insanlar gerçekten de aynı zamanda öyleyse. Fotonlar iki yerde algılanır Bu, kişinin kuantum durumda olduğu anlamına mı gelir? Cevap olarak, "Gözlemcinin çok kısa bir süre içinde kuantum süperpozisyon durumunda olduğunu söyleyebilirsiniz, ancak kimse bunu denemedi, bu yüzden gerçekten bilmiyoruz. Bu, bu deneyi yapmak için iyi bir neden."
Dokunma tam olarak nedir?
Yine de o kahveye dönersek, kahve fincanı insanlara kendilerini çok hissettirir. katı -El derisiyle yakın temas halinde olan büyük bir katı malzeme parçası. Ama aslında, bu sadece bir yanılsamadır: hiçbir zaman gerçekten hiçbir şeye dokunmadık, en azından iki büyük katı madde parçası bir araya toplanmadı. Atomdaki boşluğun% 99,9999999999'dan fazlası boş Neredeyse tüm madde çekirdekte yoğunlaşmıştır.
Elinizle bardağa baskı uyguladığınızda, yüzeydeki sertlik kaptaki elektronların itme kuvvetinden gelir. Elektronlar herhangi bir hacme sahip değildirler, yalnızca negatif bir yük taşıyan, anında sıçrayan ve bulutlar gibi atomları ve molekülleri çevreleyen sıfır boyutlu bir noktadır.
Kuantum mekaniğinin yasaları, elektronları atomlar ve moleküller etrafındaki belirli enerji seviyeleriyle sınırlar. Eliniz kupayı tutarken, elektronları bir enerji seviyesinden diğerine atlamaya zorlar Bu işlem, beynin katı maddeyle temas olarak yorumlayacağı el kaslarından enerji gerektirir.
bu nedenle Dokunma hissimiz, vücudumuzun molekülleri etrafındaki elektronlar ile karşılaştığımız nesneler arasındaki son derece karmaşık etkileşimlerden gelir. . Bu bilgiden beynimiz, sağlam bir vücuda sahip olduğumuz ve diğer varlıklarla dolu bir dünyada hareket ettiğimiz yanılsamasını üretir.
Evrim gerçeği algılamak değildir
Dokunmak bize doğru bir gerçeklik hissi vermez. Belki de tüm algılarımız gerçeklikle tutarsızdır. Irvine, California Üniversitesi'nde bilişsel sinirbilimci olan Donald Hoffman, Duyularımız ve beyinlerimiz, gerçekliğin gerçek doğasını açığa çıkarmak için değil, saklamak için sürekli olarak gelişiyor.
Hoffman, gerçeklik ne olursa olsun, çok karmaşık olduğuna ve beynin işlemesi için çok fazla zaman ve enerji gerektirdiğine inanıyor. Beynin oluşturduğu dünyayı bir bilgisayarın grafik arayüzüne benzetti: Ekrandaki tüm renkli simgeler - çöp kutuları, fare işaretçileri, klasörler - bilgisayarın içinde olanlarla hiçbir ilgisi yok. Bu simgeler soyut ve basitleştirilmiştir ve karmaşık elektronik cihazlarla etkileşime girmemizi sağlar.
Evrim beynimizi benzer şekilde şekillendirir, dünyayı hiçbir şekilde gerçekçi bir şekilde yeniden üretmez. Evrim, kesin algının gelişmesine yardımcı olmaz, ancak hayatta kalmayı artıracak özellikleri ödüllendirir. Doğa için, çevreye uyum sağlamak gerçekliği algılamaya göre önceliklidir .
Bu nedenle, canlı bir bedenin gerçekliğin daha doğru bir temsilini inşa etmesi mümkün olsa da, bu temsil onun yaşayabilirliğini artırmaz. Bir bakıma, gerçeği algılamak için değil, çevreye uyum sağlamak için evrim geçiriyoruz.
Hoffman'ın görüşü, bazı fizikçilerin inandığı kuantum teorisinin temel mesajıyla tutarlıdır: Gerçeklik tamamen nesnel değildir, kendimizi gözlemlediğimiz dünyadan ayıramayız . Hoffman bu görüşe tamamen katılıyor: "Uzay sadece bir veri yapısıdır ve fiziksel nesnenin kendisi de dinamik olarak oluşturduğumuz bir veri yapısıdır. Şuradaki dağı görünce o dağın veri yapısını oluşturdum. Sonra görüşümü değiştirdim. Açın ve bu veri yapısını atın çünkü artık ona ihtiyacım kalmadı. "
Hoffman'ın çalışması, kuantum teorisinin tam anlamını ve gerçekliğin doğasına ilişkin yorumunu henüz kavrayamadığımızı gösteriyor.
Planck, hayatının çoğunu yaratılmasına yardım ettiği kuantum teorisini anlamaya çalışarak geçirdi ve her zaman varlığımızdan bağımsız nesnel bir evrene inandı. Bir defasında amirinin tavsiyesine rağmen neden kendini fiziğe adamaya karar verdiğini yazmıştı:
"Dış dünya insanlardan bağımsız ve mutlaktır. Mutlak dünya için geçerli olan yasaların takibi, bana hayattaki en asil bilimsel arayış gibi görünüyor."
Belki başka bir yüzyıl ve başka bir devrim, Planck'ın haklı olduğunu ya da öğretmeni kadar hatalı olduğunu kanıtlayacaktır.
Referans bağlantısı:
