Att förstå kvantrevolutionen
Köp bok - Helgoland av Carlo Rovelli
Vad är handlingen i Helgoland -romanen?
En drömmande och lyrisk studie av kvantfysik, Helgoland (2021) ställs år 2021. Det konstiga subatomiska universum som beskrivs i denna lilla bok är en där ingenting någonsin kan vara helt definitivt.
Vem är det som läser Helgoland -romanen?
- Fysiker som är intresserade av vetenskapens historia men inte är professionella
- Blivande psykonauter som vill lära sig mer om den konstiga världen av atomer
- Den som är intresserad av att ta en surrealistisk titt på verkligheten
Vem är Carlo Rovelli, och vad är hans bakgrund?
Fysiker Carlo Rovelli är chef för forskningsgruppen för kvanttyngdkraft vid Center de Physique Théorique i Marseille, Frankrike, där han arbetar som teoretisk fysiker. Många av hans verk, till exempel sju korta lektioner om fysik, verkligheten är inte vad den verkar, och tidens ordning, har varit bästsäljare inom sina respektive fysikområden.
Vad finns exakt i det för mig? En titt på den senaste utvecklingen inom kvantfysik.
Werner Heisenberg kunde inte sluta nysa sommaren 1925, vilket råkade vara allergisäsongen. Den 23-åriga forskaren flydde till Helgoland, en liten stenig ö i Nordsjön, för att lindra hans höfeber-symtom. Han börjar fundera noga om atomer medan han är här och äntligen kan ta ett djupt andetag. Hans upptäckter kommer att ha en djup inverkan på fysiken och vår förståelse av verkligheten. Baserat på den utmärkta berättelsen från fysikern Carlo Rovelli berättar dessa anteckningar om den spännande berättelsen om hur kvantmekanik kom att upptäckas och upptäcktes av forskare. När du går igenom boken kommer du att lära dig vad Heisenbergs idéer berättar om den bisarra och paradoxala världen av subatomära partiklar, och du kommer att se hur hans upptäckter avslöjade frågor som fortsätter att förvirra forskare idag. Upptäck hur hösfeber hjälpte forskare att upptäcka kvantfysik, när en sak faktiskt inte är ett objekt, och varför multiverser inte krävs i dessa uppsättningar av anteckningar.
Heisenberg var katalysatorn för födelsen av ett nytt och komplicerat forskningsområde som kallas kvantfysik.
Att vara ung, ambitiös forskare i början av det tjugonde århundradet var en spännande tid att leva. Den danska fysikern Niels Bohr har upptäckt ett konstigt fenomen som har förbryllat forskare i årtionden. Han har upptäckt att vid upphettas producerar atomer ljus vid speciella frekvenser som är unika för dem. Dessa mönster indikerar att elektroner, de små subatomära partiklarna som susar om kärnan i en atom, bara bana vid vissa avstånd från atomens kärna. Heisenberg är förvirrad över varför detta händer. Varför ska elektroner begränsas till vissa omloppskonfigurationer? Och varför ska de hoppa mellan banor särskilt mätbara sätt om de inte är skyldiga? I huvudsak vill han få en bättre förståelse för kvanthoppens fysik. Den viktigaste lektionen att ta bort detta är: Heisenberg var katalysatorn för födelsen av ett nytt och komplicerat forskningsområde som kallas kvantfysik.
Detta var ett dilemma eftersom forskare vid den tiden inte kunde förstå elektronbanor eller kvanthopp som inträffade mellan dessa banor. Diskreta siffror används för att förklara partiklarnas rörelse i klassisk fysik. Dessa siffror användes för att representera variabler såsom plats, hastighet och energi. Det visade sig emellertid omöjligt att fastställa dessa faktorer i fallet med elektroner. Forskare kunde bara se förändringarna i dessa variabler när elektroner hoppade mellan banor och därmed begränsade sina observationer. För att undvika detta problem koncentrerade Heisenberg på vad som kunde ses, nämligen frekvensen och amplituden av ljus som släpptes ut under dessa kvanthopp. Han skrev om de klassiska fysiska principerna och ersatte varje enskild variabel med en tabell eller matris som representerade alla potentiella förändringar som kan ske i världen. Även om aritmetiken var mycket komplex, var resultatet exakt vad Bohr hade sett.
Den andra forskaren, Erwin Schrödinger, antog en strategi som var lite annorlunda än de andra. Det var hans tro att elektroner inte bara var en samling partiklar som kretsade en kärna, utan att de var elektromagnetiska vågor som reste runt den. Han kunde också exakt matcha Bohrs resultat genom att använda den mer enkla matematiken för vågekvationer. Det var dock ett problem. Vågor är diffusa, men när elektroner upptäcks av en detektor är de tydligt definierade punkter eller partiklar, i motsats till vågor.
Hur kan vi förena dessa uppenbarligen motsägelsefulla modeller som, trots deras uppenbara inkompatibilitet, ger samma resultat? Max Born, en tredje tänkare, kunde ge en lösning. Schrödingers vågberäkningar, hävdade han, erbjöd en bättre förklaring av resultaten av elektronmätningar än Heisenbergs matrisberäkningar, som just gav chansen att göra sådana observationer. Det verkade som om elektronerna i denna nya kvantfysik levde på något sätt som vågor tills de sågs av en extern observatör. Sedan stoppar de på en enda plats. Detta resulterade i en ny, förvirrande fråga: varför hände detta?
Som ett resultat av deras existens väcker superpositioner utmanande frågor angående verklighetens natur.
Det finns ett berömt tankeexperiment som förklarar kvantfysikens förvirrande rike på ett enkelt sätt. Den har en katt i en låda med en konstig gadget fäst vid den. Vid aktivering avger det ett starkt lugnande medel som hjälper till att sova varelsen. Låt oss anta att gadgeten endast aktiveras när en viss kvanthändelse inträffar, till exempel sönderdelningen av en atom. Låt oss dessutom anta att Schrödingers ekvationer förutspår att denna händelse kommer att inträffa vid varje given ögonblick i tid med en i två chanser. Som ett resultat kommer vi inte att veta om händelsen har hänt förrän vi öppnar rutan eller inte. Katten verkar både sova och vakna samtidigt.
Detta kallas en kvant -superposition, och det händer när två motstridiga egenskaper samtidigt finns i samma fysiska utrymme. Eftersom det är en känd svår uppfattning att förstå, tog det decennier för fysiker och filosofer att komma med en tillfredsställande förklaring av hur det fungerar. Den viktigaste lektionen att ta bort detta är: Som ett resultat av deras existens väcker superpositioner utmanande frågor angående verklighetens natur. Det är känt som Schrödingers katt, och den tjänar till att lyfta fram ett av de mest grundläggande mysterierna i kvantfysik. Trots att superpositioner verkar vara omöjliga har forskare visat att de finns. Till exempel kan en enda foton av ljus verka som om den har rest längs två helt olika vägar! Det finns en mängd konkurrerande teorier om denna bisarra verklighet, som ofta kallas tolkningar.
Idén om flera universum är en möjlig förklaring. I denna modell bärs begreppet katten som både sover och vaken till dess logiska slutsats. Som ett resultat, eftersom chansen att avtryckaren sker är en av varannan, inträffar båda händelserna, även om de i separata tidsramar, som visas ovan. Du som observatör bor också i var och en av dessa andra tidslinjer. Eftersom det finns ett obegränsat antal kvanthändelser finns det faktiskt ett oändligt antal tidslinjer eller universum att betrakta som ett resultat.
Den dolda variablerna hypotesen, som är en rivaliserande tolkning, undviker förekomsten av oändliga universum genom att skilja Schrödingers våg från själva kvantpartikeln. Enligt denna teori finns sannolikheten som indikeras av Schrödinger på ett äkta sätt som vi ännu inte förstår, trots att den synliga fysiska världen bara tar en form. Som ett resultat, även om vi bara observerar en vaken katt, finns möjligheten till en sovande katt i vår verklighet.
Det finns emellertid en tredje tolkning, känd som Quantum Bayesianism eller Qbism, som är helt annorlunda. Enligt denna teori är superpositioner och Schrödingers sannolikheter inget annat än information, och den informationen är endast delvis fullständig. När observatörerna öppnar lådan och ser katten får de mer kunskap om situationen. På detta sätt skapar observatören verkligheten för bit genom att observera världen runt honom. Detta väcker emellertid frågan om vem observatören är i första hand.
Den relationella tolkningen visar ett universum där allt alltid förändras.
Enligt lekmanens förståelse av kvantfysik kvarstår kvantsuperpositioner tills en observatör ingriper och bestämmer vad som verkligen äger rum. Som ett resultat susar en elektron i ett odefinierat moln av sannolikhet tills en forskare kommer med en elektrondetektor och, via observation, bestämmer var elektronen verkligen ligger. Men vad handlar det om en forskare som gör honom så unik? Finns det något om henne som ger henne en observatörs ställning med särskilda rättigheter? Hennes labbrock, hennes sofistikerade tekniska utrustning eller hennes närvaro som en känslig varelse med förmågan att se, tänka och vara medvetna är alla faktorer i hennes framgång. Sanningen är att ingen av dessa saker finns. Observation, under den relationella tolkningen av kvantteorin, inkluderar inte att se i den konventionella betydelsen av ordet. I verkligheten kan alla slags interaktion betraktas som en observation.
Den viktigaste lektionen här är att den relationella tolkningen visar en värld där allt alltid förändras. Det är lite felaktigt att hänvisa till kvantteori som "observation" när det gäller den. En åtskillnad görs mellan den naturliga världen av fysik och ett visst ämne, ofta en människa, som observerar denna värld från en position utanför den. Den relationella tolkningen av kvantfysik, å andra sidan, eliminerar denna skillnad. Enligt detta koncept är varje enskild enhet i universum både observatör och observatör och observeras och observeras både.
Kosmos är full av en otrolig variation av föremål, allt från fotoner eller ljuspartiklar och regnbågar till katter, klockor och galaxer, bland många andra saker. Ingen av dessa enheter, som ofta kallas fysiska system, kan existera i ett vakuum. De interagerar ständigt med varandra. Och i verkligheten är det de olika interaktionerna mellan fysiska system som bestämmer deras egenskaper. Om något inte har några interaktioner med andra saker, finns det inte i någon meningsfull mening.
På detta sätt kopplas alla fysiska egenskaper, som ofta kallas information, samman. Det vill säga, de är alltid i flöde, dyker upp och försvinner beroende på situationen. Detta är något vi redan vet är sant på vissa sätt. En kvalitet som hastighet kan bara upptäckas genom att undersöka förhållandet mellan två saker. När du går på en båt varierar din hastighet beroende på om du mäter den med hänvisning till båtens däck eller till havets yta.
Att föreställa sig världen som ett oändligt nätverk av relationer som skapar attribut kanske inte verkar vara revolutionerande, men det är det verkligen. Låt oss återvända till berättelsen om Schrödingers katt. Medan han är i lådan sover eller är katten antingen vaken beroende på dess närhet till avtryckaren, men från utsidan verkar katten inte vara varken. Båda dessa uttalanden är korrekta, eftersom olika förhållanden resulterar i distinkta verkligheter, som tidigare nämnts. Det som är viktigt är oavsett relationell händelse eller referensram undersöks vid den aktuella tiden.
Den relationella modellen förenklar processen för kvantförvirring och tar bort dess mystik.
Tänk på två fotoner som båda är i en kvant superposition där de både är röda och blå samtidigt. Vi kan inte bestämma det definitiva tillståndet för antingen förrän vi gör en observation, precis som vi inte kan identifiera det definitiva tillståndet för Schrödingers katt om vi inte gör en observation. Men eftersom varje foton har två möjliga resultat, har varje färg 50 procent sannolikhet för att dyka upp när den ses. Skicka en av dessa fotoner till Wien och den andra till Peking och se hur det går. Om vi tittar på Wien -fotonen ser vi att det kommer att se antingen rött eller blått. Låt oss låtsas att det är färgen röd för detta exempel. Nu, när vi ser Peking -fotonen, bör det vara ungefär hälften av varaktigheten för Wien -fotonen som observeras.
Men här är när saker börjar bli konstiga. Om Wien -fotonen är röd kommer Peking -fotonen alltid att vara röd också, oavsett omständigheterna. Kvantförvirring är namnet som ges till denna uppenbarligen magiska anslutning. Den viktigaste lektionen att ta bort detta är: den relationella modellen förenklar processen för kvantförvirring och tar bort dess mystik. Kvantförvirring är en av de mest ovanliga händelserna som någonsin har inträffat inom fysikområdet. Även om två fotoner blir förvirrade korrelerar eller matchar deras egenskaper, även när de separeras med ett stort avstånd. Naturligtvis är ett par röda handskar också förknippade med rymden - även om de är separerade med ett stort avstånd, behåller de samma färg. Men tills de ses är ett par fotoner i en rödblå superposition varken röd eller blå. Så, hur kan man tävla mot en annan?
När allt kommer omkring kan den första fotonen kunna kommunicera med den andra på något sätt. Trots detta har förvirring upptäckts över långa avstånd, trots att signalen skulle behöva resa snabbare än ljusets hastighet. Alternativt kan paret bosätta sig på en nyans innan de separeras. Dessutom utesluter en komplicerad uppsättning ekvationer som kallas Bell -ojämlikheterna också denna teori. Så vad händer exakt i den här situationen? Relationsmodellen kanske kan ge viss vägledning.
Tänk på att attribut under detta paradigm endast kan hittas genom interaktioner. Det faktum att ingen enhet kan se både Wien- och Peking -fotoner samtidigt innebär att ingen av dem har några faktiska egenskaper i förhållande till den andra. Den röda nyansen av Wien -fotonen är bara synlig i samband med tittarna i Wien, och inte på någon annan plats. Fotonen i Peking, och faktiskt allt i Peking, stannar i en kvant superposition i viennerna, som ett resultat. Varje jämförelse är värdelös om inte och tills båda parter ser varandra.
Icke desto mindre kan dessa till synes olika händelser kopplas samman. En forskare i Wien kan kommunicera med en kollega i Peking per telefon. Denna interaktion, eller observation, ger information om den röda nyansen av Wien -foton, vilket får den intrasslade fotonen att verka röda som ett resultat. Som ett resultat finns det ingen mystisk anslutning över tid och rum, utan snarare en webb av relationer som kopplar dessa som kopplar dessa förekomst och ge dem sina egna egenskaper.
Filosofi och vetenskap är otydligt kopplade till sina respektive studieområden.
Ernst Mach är kanske den viktigaste tänkaren som aldrig har publicerats i stor utsträckning. I sina roller som forskare och filosof vann hans förmåga att generera oväntade insikter och utmanande tänkande honom både fans och kritiker över ett brett spektrum av discipliner. Machs arbete kritiserades skändande av den ryska revolutionära Vladimir Lenin i sina skrifter. Alexander Bogdanov, en annan revolutionär, stod upp för dem med hämnd. Flera aspekter av Machs tankar integrerades i episka boken, The Man Without Qualities, av den berömda författaren, Robert Musil. Dessutom erkänner både Einstein och Heisenberg Machs teorier som att ha haft en betydande inverkan på sina egna upptäckter. Så, vad var de revolutionära idéerna som Mach förespråkade som orsakade en sådan ruckus över hela politiken, konsten och fysiken? Som det visar sig föreslog han att universum består av sensationer, som har en konstig resonans med relationell kvantteori.
Den viktigaste lektionen här är att filosofi och vetenskap är otydligt kopplade till varandra. Under det artonde och nittonde århundradet kontrollerade ett filosofiskt antagande som kallas mekanism det mesta av det vetenskapliga samfundet. På sin mest grundläggande nivå hävdade mekanismen att verkligheten fungerade på liknande sätt som en klocka. Kosmos var en enorm tom container känd som rymden, och alla fenomen bestod av materia som var noggrant interagerande med varandra i denna behållare. Enligt Ernst var detta paradigm till hjälp, men det hade sina begränsningar. Han trodde att begreppet mekanismer var för metafysiskt eller eteriskt. I motsats till detta trodde han att vetenskapen borde koncentrera sig på vad som kan ses, nämligen de känslor som uppstår när komponenter interagerar. Om detta låter bekant beror det på att Heisenberg var motiverad av samma koncept att studera beteenden hos elektroner, vilket i slutändan ledde till upptäckten av kvantteori.
Machs idéer har å andra sidan en mycket bredare tillämpning. Fysiska saker, enligt hans syn på verkligheten, är inte autonoma komponenter som mekaniskt interagerar, utan snarare är resultatet av dessa interaktioner, som skapar världen. Och observatörer anses inte skilja sig från systemet som helhet. De har också bara en sensorisk förståelse av universum som erhållits via möten. Återigen verkar denna idé vara en förskådning av den relationella tolkningen av kvantfysik, enligt vilka egenskaper inte finns isolerat från deras miljö.
Att hävda att Mach hade en precognitiv kunskap om kvantfysik är inte att antyda att han gjorde det. Machs observation visar å andra sidan den viktiga interaktionen mellan vetenskap och filosofi. Heisenberg kanske inte har gjort sina ledande resultat om han inte hade bortsett från Mach och fastnat på idéerna om mekanism med en sådan strikt anslutning. På liknande sätt kan moderna filosofer engagera sig i de senaste vetenskapliga förståelserna för att skärpa och förbättra sina egna åsikter om verkligheten och universum. Så, hur spelar allt detta när det tillämpas på ett svårt ämne som medveten tanke? Det kommer att diskuteras mer detaljerat i nästa avsnitt.
Att undersöka relationer och korrelationer kan ge insikt i sinnets arbete.
Att helt enkelt surfa på internet i några minuter kommer att avslöja en mängd innovativa tillämpningar av kvantidéer (eller, mer korrekt, felapplikationer) inom olika områden. Gurus Laud Quantum Spiritualism, bedrägeriläkare främjar kvantterapi och tekniska företagare förhärligar alla slags kvantnonsens, bland annat. Det verkar som om den inre konstigheten i kvantfysiken har ett sätt att antända fantasin hos dem som är intresserade av den. Kan kvantteori å andra sidan ge ljus på de grundläggande frågorna om livet? Kan det förklara kärlek, belysa ursprunget till skönhet och sanning eller ge en meningsfull förklaring av existensen? Nej inte alls. Att tillämpa idéerna om relationell kvantteori på ett ämne som medvetenhetens natur kan dock öppna upp nya studier och utredning av fenomenet.
Den viktigaste lektionen att ta bort detta är: att undersöka relationer och korrelationer kan ge insikt i sinnets arbete. Sinnets filosofi ger i allmänhet tre huvudmodeller för det mänskliga sinnet. Det finns dualism, som säger att sinnet finns som en distinkt, nästan andlig enhet från kroppen och resten av universum. Å ena sidan finns det idealism, som anser att sinnet inkluderar och står för allt som finns. Å andra sidan finns det naiv materialism, som säger att mentala upplevelser bara är resultatet av grundläggande fysiska processer.
Relationell kvantteori kan ge ett något annorlunda perspektiv på sinnet än traditionell kvantteori. Det är viktigt att överväga betydelsen av frasen för att förstå den. Betydelsen av mening i mänsklig kognition kan inte överskattas. När vi ser tecken, läser ord eller tänker på idéer, vet vi att de menar något för att de hänför sig till eller indikerar något externt för oss i det fysiska universum. Enligt den tyska filosofen Franz Brentano är avsiktlighet den process genom vilken vi interagerar med varandra och hittar oss genom verkligheten.
Men hur kommer avsiktlighet att bli? Ett sätt att ta itu med denna fråga är att titta på relevanta relaterade fakta. Relativ information är en korrelation som inträffar när två system kommunicerar med varandra. En fallande sten är ett exempel på relativ information, som skapas när ett externt objekt, berget, är korrelerat med ett internt tillstånd, din hjärnans bestämning av bergets nedstigning. När denna kunskap blir viktig beror det på att det påverkar din kropps svar, vilket är att flytta ut ur vägen för vad som händer.
I denna situation produceras intentionalitet av informationen som skapas av förhållandena mellan utsidan och interiören: synen av en fallande sten signalerar fara, och du agerar för att undvika den till följd av denna information. De fysiska processerna som sker över olika system beskrivs naturligtvis endast kort i denna beskrivning. Det faktum att du var tvungen att undvika en sten berättar ingenting om din speciella upplevelse. Det är svårare att förklara hur en sådan subjektiv upplevelse blir. Detta kallas den "hårda frågan" om medvetande, och det fortsätter att vara en källa till kontroverser.
Att studera kvantfysik kan öppna våra ögon för nya perspektiv på universum.
Vad ser du när du tittar på en katt? Vad är det du ser? Uppfattningen, enligt det konventionella siktbegreppet, handlar främst om förvärv av information. Med hjälp av kattens form, hår och whiskers reflekteras fotoner och kommer in i ögonen. Dina näthinnor omvandlar ljuset till en signal, som sedan skickas till din hjärna. Slutligen översätter dina neuroner informationen till en bild av en bedårande katt, vilket är vad du ser. Detta är dock inte helt sant. I verkligheten gör din hjärna förutsägelser om vad dina ögon ska se. Ögonen fortsätter att samla ljus, men de överför bara signaler som är i konflikt med den föregående bilden. Det är dessa skillnader mellan vad vi förutser och vad vi ser som ger oss den kritiska kunskap som vi behöver för att förstå den yttre världen. Den viktigaste lektionen att ta bort detta är: Att studera kvantfysik kan öppna våra ögon för nya perspektiv på universum.
Med hjälp av en uppfattning som kallas den projektiva medvetenhetsmodellen kan vi ge en andra förklaring av synen där hjärnan spelar en ledande roll. Hjärnan genererar enligt denna uppfattning medvetandet genom att kontinuerligt förbättra dess förutfattade övertygelser och mentala representationer som svar på information som samlas in av våra sinnen. Detta innebär att vår uppfattning om verkligheten är en "bekräftad hallucination" som kontinuerligt uppdateras och utvecklas. I vissa avseenden är vetenskap och filosofi baserade på samma idéer. Mänskligheten utvecklar en enda bild av hur världen fungerar, och sedan, genom erfarenhet och experiment, upptäcker vi alla sätt på vilka verkligheten skiljer sig från och motsäger denna idé om hur världen fungerar. Naturligtvis, medan våra hjärnor slutför denna process i en bråkdel av en sekund, slutför vetenskapen den under en betydligt längre tidsperiod. Det krävs ett samhälle att testa och utveckla nya idéer, och det tar decennier att slutföra processen.
Våra teorier om kvantfysik, som inkluderar den relationella tolkningen, är bara den senaste manifestationen av denna kontinuerliga utvecklingsprocess. För närvarande ger de oss den mest exakta representationen av verkligheten baserat på vad vi kan se, kartlägga och mäta i nuet. Det är dock en ganska udda bild att i alla fall se. Relationskvantfysik visar ett universum där objekt som är statiska och stabila inte finns. I motsats till diskreta saker som interagerar i rymden, består verkligheten helt och hållet av en webb av interaktioner där händelser konvergerar och sprids i en oändlig skum. Vi fastnar också i bubbelpoolen av interpersonella relationer. Det är möjligt att denna ständiga spärr av anslutningar är ansvarig för vår identitet eller subjektivitet. Att se världen på detta sätt kan verka konstigt, till och med hallucinogent, men för tillfället har denna hallucination verifierats, och vi bör vänta och se vart det leder oss nästa.
Slutsatsen av romanen Helgoland.
Dessa anteckningar förmedlar följande huvudmeddelande: I början av det tjugonde århundradet började en kadre av unga forskare, särskilt en allergisk benägen Werner Heisenberg, dekonstruera den konventionella förståelsen av fysik. Deras Quantum Universe -paradigm, som kännetecknas av osäkerhet och sannolikhet, ersatte den tidigare deterministiska och mekaniska världsmodellen. Enligt den relationella tolkningen av kvantfysik består kvantverkligheten av en webb av instabila anslutningar - vad som är verkligt och sant kan förändras beroende på vilka relationer som äger rum.
Köp bok - Helgoland av Carlo Rovelli
Skriven av BrookPad Team baserat på Helgoland av Carlo Rovelli