Общ

Квантовата механика и философия на физиката на Нилс Бор


Малко учени са оказали толкова голямо влияние върху съвременния свят, колкото Нилс Бор. Резултатът от работата на Бор върху структурата на атома породи всичко - от атомната ера до лазерните лъчи и квантовите изчисления и името му е засенчено от неговите критици и онези, които изградиха работата му, за да създават имена за себе си.

Така че в чест на 56ти годишнина от смъртта му, ние искаме да признаем своя дълг към него, като се задълбочим в неговата пионерска работа по квантова механика и комплементарност, неговия уникален принос към философията на физиката.

Баща на квантовата механика

Прозрението на Бор върху преобладаващия модел на атома би поставило основите за голяма част от технологичния напредък на 20-тети век. Той демонстрира, че около всяко атомно ядро ​​има няколко нива на концентрични черупки, пълни с електрони, и показва, че промяната на състоянието на атома се дължи на електроните, които се движат между черупките, докато абсорбират или излъчват енергия.

Тази манипулация на поведението е в основата на всичко - от лазерни лъчи до ядрено делене. Само по себе си тази работа беше впечатляваща, но това, което последва това откритие, направи Бор толкова противоречива фигура.

От това следва, че като физически обекти в космоса, електроните, които обикалят около ядрото, трябва да се управляват от същите закони, които управляват планетите, които обикалят около Слънцето. Точно това не видя Бор.

Това, което той и неговият впечатляващ списък с протежета - млади мъже като Вернер Хайзенберг, Енрико Ферми и Паскуал Джордан - видяха, беше пълното издигане на класическия модел на физиката, който съществуваше от Нютон: електроните, които можеха да съществуват едновременно на няколко места може да бъде частица една минута и да действа като вълна следващата, и че докато не бъде наблюдавана или измерена, частицата може да бъде едновременно в произволен брой взаимно изключващи се състояния. В рамките на десетилетие след откриването на структурата на атома, Бор и неговите последователи са открили изцяло нова форма на физика: Квантова механика.

Предизвикателство на класическия модел

Когато Бор публикува за първи път своите открития през 1913 г., Алберт Айнщайн го нарече „музикалност в сферата на мисълта“. По-късно той също ще каже, „Ако всичко това е вярно, това означава край на физиката.“ Самият Бор каза, че „[всеки], който не е шокиран от квантовата теория, не го разбира“.

Айнщайн не беше сам в резервите си. Протежетата на Бор и други физици, работещи по модела на Бор, предлагаха наистина радикални идеи. Хайзенберг ще продължи, за да покаже, че не можете да наблюдавате положението на частицата и да наблюдавате нейния импулс едновременно. Той също така ще въведе обширна „матрична механика“, която може да се използва за изчисляване на свойствата на частиците.

Ервин Шрьодингер предложи различна теория, според която електронът не е частица, а вълнова функция, която се разпространява в пространството. За неверието на мнозина по онова време беше показано, че както Шрьодингер, така и Хайзенберг са правилни и че техните методи са взаимозаменяеми; и в разширение, че електронът е едновременно частица и вълна.

Допълняемост: нова философия на физиката

Един от по-противоречивите и трайни приноси на Бор в дебата е въвеждането му на концепцията за допълване. Бор установи, че ако трябва да направите измерване на електрон с един апарат, той предсказуемо ще се държи като частица. Направете същото измерване с друг апарат и изведнъж той се държи като вълна.

Подобни резултати биха влудили повечето физици, търсейки начин да се примири това противоречие, но Бор предположи, че е безсмислено да се опитва. Бор каза, че нашето разбиране за светлината и други квантови явления е подобрено чрез измерването й като частица или вълна, но тъй като човек не може да направи и двете едновременно, наблюдателят трябва да реши как да го наблюдава и да приеме, че това изключва възможността да го наблюдаваме по различен начин.

По-радикално той заяви, че няма парадокс за решаване, тъй като физиката не трябва да е свързана с изследваното нещо, а трябва да е свързана с резултатите от експеримента и наблюденията. По този начин комплементарността оспори голяма част от философията на физиката, която твърдо се придържаше към идеята, че познаваеми закони управляват Вселената и всичко в нея и че всичко във Вселената може да бъде дефинирано от единен набор от свойства.

Като каза, че едно-единствено нещо може да има повече от едно взаимно изключващо се определение за еднаква валидност и че и двете определения ни трябват, за да разберем истински въпросното нещо, той засегна метафизичен спор във физиката, който се води и до днес.

Реакция на идеите на Bohr’s

Въпреки че първоначално приветства и одобрява работата на Бор, Айнщайн ще продължи да се превърне в най-известните критици на Бор, въпреки че те са били лично близки. Айнщайн е женен за детерминирания възглед за физиката, така че налагането на случайност и несигурност в основата на физиката го безпокои. Известно е, че той отбеляза, че „Бог не играе на зарове с Вселената“.

Никой друг, освен самият Шрьодингер, добави към критиката, когато предложи най-известния си мисловен експеримент с котка в кутия, в която радиоактивното разпадане на атом вътре предизвиква освобождаването на цианид. Според Квантовата механика, която самият той помага да се изгради, докато не отворите кутията, за да видите дали атомът се е разпаднал, атомът съществува както в разложено, така и в неразградено състояние. Ако това беше вярно, тогава котката на Шрьодингер беше едновременно жива и мъртва.

Първоначално предназначен да докаже как новите теории излизат от релсите, Шрьодингер неволно потвърждава безумно странната природа на квантовата механика, тъй като суперпозициите на частици отдавна са установен факт. Радиоактивният атом в кутията на Шрьодингер всъщност се е разпаднал и не докато не бъде наблюдаван; котката му е и мъртва, и жива, докато наблюдател не отвори кутията.

Опитът да се разнищят този и други проблеми на квантовата механика дори породи нови модели на реалността, като теорията на Мултивселената. Нещо повече, концепцията за комплементарност е обект на интензивен дебат не само в областта на физиката, но и сред философите, някои от които обвиняват Бор в „простодушен позитивизъм [m]“.

Други небрежно приписват на Бор идеи, които той никога не е изразил. По-специално, някои критици на комплементарността твърдят, че това означава, че простото наблюдение на частица променя нейното поведение в едното или другото взаимно изключващо се състояние.

Бор обаче никога не е направил такова твърдение, аргументирайки само, че когато наблюдава частица с определен инструмент, частицата ще реагира на този инструмент, предсказуемо, като вълна или частица и ще го прави всеки път. Използването на друг инструмент ще доведе до различен резултат и така изборът на инструмента на наблюдателя ще диктува какво поведение ще наблюдава.

Bohr’s Lasting Legacy

През последния век критиците на Бор чакаха окончателно отхвърляне на произведенията на Бор, което така и не дойде. Вместо това относителността на Айнщайн е многократно потвърждавана и надграждана от по-късните физици като покойния Стивън Хокинг.

Междувременно откритията на Бор са в основата на някои от най-модерните технологии, които се разработват в момента. Квантовите компютри, изградени изцяло от принципите на квантовото заплитане, които доведоха Айнщайн до разсейване, обещават неизмеримо увеличаване на изчислителната мощност над класическите компютри и вече са изградени от компании като Google и в университетски лаборатории по целия свят.

И накрая, самият Бор предложи, че взаимното допълване на тези различни набори от правила ни позволява да имаме по-пълно разбиране за света, в който живеем. За това и много повече, ние завинаги ще помним неговия гений.


Гледай видеото: Блестящата грешка на Айнщайн: Вплетени състояния - Чад Орзел (Юли 2021).