Οι Φυσικές Επιστήμες στις αρχές του 21ου αιώνα. Μέρος Τρίτο. Αδυναμία ακριβούς μέτρησης στον κόσμο των κβάντων. Mε μέτρηση, ανίχνευση, παρατήρηση, η κυματοσυνάρτησημευατρεπεται σε εντοπισμένο σωματίδιο. Αρχή Heizemberg. Αξίωμα προβολής

της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας Χημικού

σε επεξεργασία

Α. Προσπάθεια ανίχνευσης και εντοπισμού της ακτινοβολίας

Στο πείραμα της διπλής σχισμής αν χρησιμοποιηθεί ένα και μοναδικό φωτόνιο, τότε στην οθόνη εμφανίζεται ένας σχηματισμός συμβολής.  Αυτό υποδηλώνει ότι το φωτόνιο συμπεριφέρεται ως κύμα που περνάει συγχρόνως και από τις δύο σχισμές.

Εάν όμως γίνει προσπάθεια ανίχνευσης ή παρατήρησης του φαινόμενου,  

αρχικά με την τοποθέτηση  κάποιου ανιχνευτή  φωτονίων σε μια από τις δυο σχισμές. 

Τότε στο πέτασμα δεν θα σχηματιστούν κροσσοί συμβολής αλλά μόνο φαινόμενα περίθλασης. Αυτό που σημαίνει πως δεν εκβάλλουν δυο αλλά μόνο μια δέσμη

Αυτό που συμβαίνει είναι, ότι το φωτόνιο θα περάσει  από την άλλη σχισμή που είναι ελεύθερη ανιχνευτή 

Το ίδιο παρατηρείται εάν στην διπλή σχισμή, χρησιμοποιηθεί δέσμη φωτονίων , τότε στο πέτασμα παρατηρούμε φαινόμενα περίθλασης που σημαίνει ότι υπάρχει διέλευση και από τις δυο σχισμές

Εάν στην μια σχισμή τοποθετηθεί ανιχνευτής τότε   όλα τα φωτόνια θα περάσουν από την άλλη σχισμή που είναι ελεύθερη ανιχνευτή Εάν τοποθετηθούν ανιχνευτές και στις δυο σχισμές τότε τα φωτόνια φτάνουν στην οθόνη σαν σωματίδια

Β. Τι μπορεί να συμβαίνει όταν ανιχνεύονται φωτόνια με ανιχνευτή συρμάτινου καλώδιου

Η τροποποίηση που γίνεται στην σχισμή που θέλουμε να κάνουμε ανίχνευση είναι ότι  βάζουμε ένα συρμάιτνο καλώδιο γύρω από την σχισμή

Ένας γνωστός ο τρόπος προστασίας από ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες είναι τα μεταλλικά πλέγματα, που απάγουν και γειώνουν τα ηλεκτρομαγνητικά ρεύματα. Χρησιμοποιούται πολλές φορές για προστασία από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (που είναι και τα φωτόνια)  σε μορφή πλέγματος ή ινών υφάσματος που δημιουργούν με ανάλογες τεχνικές κλωβό faraday που επάγουν καί γειώνουν ηλεκτρομαγνητικά ρεύματα

που μετατρέπεται στα λεγόμενα δινορεύματα, τα οποία τελικά απάγονται στο έδαφος. (https://83.212.168.57/jspui/bitstream/123456789/2413/1/012011067.pdf)

Κατά την γνώμη μου αυτός είναι και ο λόγος που δεν ανιχνεύεται ακτινοβολία εάν τοποθετηθεί στην σχισμή ένας τέτοιου τύπου ανιχνευτής

Γ. Παρατήρηση από παρατηρητή 

Κάθε κβαντικό αντικείμενο όταν ανιχνεύεται ή παρατηρείται από παρατηρητή χάνει τις κυματικές του ιδιότητες και εντοπίζεται σαν απλό σωματίδιο

Ανάλογα φαινόμενα εμφανίζονται και στην περίπτωση που απλά και μόνο γίνεται παρατήρηση του φαινομένου από κάποιον παρατηρητή. 

 Ενώ η επιρροή του σωματιδίου εξαπλώνεται στον χώρο και εμείς διαθέτουμε την κυματοσυνάρτησή του και μόνο, μόλις το "κοιτάξουμε", (το ηλεκτρόνιο για παράδειγμα),  αυτό εντοπίζεται και γίνεται σωματίδιο (μοιάζει σαν να αφαιρούμε με την παρατήρηση κάποιες από τις διαστάσεις του)

Η προσπάθεια παρατήρησης  κάνει τα κβαντικά αντικείμενα να εκδηλώνουν ιδιότητες ύλης  (ενώ όταν δεν γίνεται  παρατήρηση εμφανίζουν κυματικές ιδιότητες).

Ο Werner Karl Heisenberg,  ισχυρίστηκε ότι η παρατήρηση των σωματιδίων από ένα ον με συνείδηση, τα επηρεάζει και δεν υπάρχει κανένας τρόπος να το αποφύγουμε αυτό.

Ο επιρρεασμός της ύλης από την λειτουργία του νου είναι πλέον ένας κοινός τόπος των Φυσικών Επιστημών και των Μεταφυσικών μελετών

Δ. Ας προσπαθήσουμε να διερευνήσουμε κάποιους από τους λόγους της επίδρασης του παρατηρητή

Κατά πρώτον, για να παρατηρήσουμε ένα κβαντικό αντικείμενο το επιρρεάζουμε με διάφορους τρόπους

Φωτίζοντας ένα κβαντικό αντικείμενο, σίγουρα διαταράσουμε κάποιες από τις ιδιότητές του, είτε θερμαίνοντάς το, ή και απλά με την ρίψη φωτονίου πάνω σε αυτό. Ιδιέταιρα το δεύτερο, είναι μοιραία ότι προκαλέσει σύγκρουση, με συνέπεια την αλλαγή στις φυσικές του ιδιότητες (θέση, δυνάμεις ενέργεια κ.α.) και με συνέπεια την διαταραχή του κβαντικού σωματιδίου..

Βέβαια ίδιες διαταραχές προκαλούνται και σε μεγάλα αντικείμενα πραγματικών διαστάσεων, όμως οι επιδράσεις αυτές είναι αμελητέες

Όσον αφορά την παρουσία ενός παρατηρητή και την απλή παρατήρηση, σήμερα χωρίς ιδιεταιρο δισταγμό  μπορούμε ναι πούμε  ότι, οι πεποιθήσεις, τα συναισθήματα οι προσδοκίες και οι προκαταλήψεις μας έχουν μεγάλη επίδραση στους γύρω μας (και στα κβαντικά αντικείμενα) εφ όσον οι σκέψεις, οι προσδοκίες και τα συναισθήματά μας οφείλονται αποδεδειγμένα, στην λειτουργία ηλεκτρικών κυκλωμάτων (μέχρι το σημείο που μπορούμε να γνωρίζουμε) του νευρικού μας συστήματος αλλά και όλων των κυττάρων του σώματός μας. Και σαν ηλεκτρικά ρεύματα που είναι  ακολουθούν  τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, παράγοντας ανάλογα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον χώρο που τον επηρρεάζουν, συμπεριλαμβανόμενου και του αντικειμένου που παρατηρείται και προς το οποίο κατευθύνονται.

 Το Ανθρώπινο Νευρικό Σύστημα. Μέρος Πρώτο: Το συγκεκριμένο μήνυμα που μεταφέρεται από ένα νευρικό σήμα έχει σαν μοναδικό του χαρακτηριστικό την συγκεκριμένη διαδρομή του μέσα στο προσωπικό μας νευρικό δίκτυο

Η μέτρηση κάποιου σωματιδίου αποκαλύπτει κάποια πτυχή της φύσης του που δεν είναι γνωστή. Θεωρητικά, όχι μόνο δεν γνωρίζουμε από την μέτρηση, ποιές ιδιότητες είχε το σωματίδιο πριν να μετρηθεί, αλλά σύμφωνα με την κβαντική θεωρία και τις εξισώσεις που  περιγράφουν τα φαινόμενα εκεί, η ιδιότητα αυτή, δεν είχε καν συγκεκριμένες τιμές ,εφόσον η συνάρτησή του, το περιγράφει στον χώρο και στον χρόνο, συμπεριλαμβάνονοντας και τις εκάστοτε δυνάμεις που το διαμορφώνουν κάθε φορά.

Όπως θα πούμε και παρακάτω, οι διαστάσεις των φαινομένων εκεί κάνουν εκ των πραγμάτων αδύνατη την ακριβή μέτρηση και τον εντοπισμό όλων των ιδιοήτων που θέλουμε να προσδιορίσουμε

Μιλώντας την νέα γλώσσα της κβαντικής θεωρίας θα μπορούσαμε χωρίς να το διακινδυνεύσουμε ότι η παρατήρηση συνεπάγει και κάποιο είδος εμπλοκής με το παρατηρούμενο αντικείμενο με τις ανάλογες συνέπειες ώστε τελικά,

Αυτό που βλέπεις είναι αυτό που παίρνεις. 

 Ε. Η αβεβαιότητα στην μέτρηση συνέπεια της αρχής απροσδιοριστίας του Χαιζεμπέργκ 

Ο Χάιζενμπέργκ αφού μελέτησε την εξίσωση του Στρόντιγκερ και μέσα από αυτήν  μπόρεσε να εξηγήσει  την δομή του ατόμου του υδρογόνου,  προσπάθησε  στην συνέχεια, να  βρει απαντήσεις μέσα από τα μαθηματικά, οι οποίες να δίνουν κάποια ερμηνεία για  την αβεβαιότητα. Κατέληξε πως η απροσδιοριστία στην ταυτόχρονη μέτρηση ορισμένων μεγεθών, αποδεικνύεται και μαθηματικά και  είναι αποτέλεσμα της συμφυτης και αναπόφευκτης  άγνοιάς μας σχετικά με τον κόσμο των κβάντων

Πιθανόν  αυτό να συσχετίζεται με  τις διαφορές στην φυσιολογία μας και την αντίληψή μας σαν ανθρώπινα όντα σε σχέση με τον κβαντόκοσμο. Οι διαστάσεις αυτού του κόσμου (μέσα στον οποίο συμβαίνουν αυτά τα φαινόμενα) είναι ασύλληπτες για εμάς ,ακόμα και ο χρόνος αυτών των διαστάσεων είναι αδύνατον να βιωθεί στον δικό μας κόσμο. Ας θυμηθούμε ότι το βασικό όργανο για να αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο αυτόν, είναι το σώμα μας και ο εγκέφαλός μας. Το νευρικό μας σύστημα που λειτουργεί βάσει ενεργοποίησης αλλά και δημιουργίας ηλεκτρικών κυκλωμάτων, χρειάζεται πολλαπλάσιο χρόνο για να λειτουργήσει, ακόμα και για μια απλή σκέψη ή παρατήρηση, από όσο ο κόσμος των κβάντων. Στο διάστημα που χρειάζεται να αντιληφθούμε ή και να κάνουμε μια απλή σκέψη , "το πουλί έχει πετάξει" 

Διακριτές μετρήσεις παύουν πλέον να υπάρχουν μεμονωμένα και το αποτέλεσμα γίνεται θολό και απροσδιόριστο. 

Οι μικροδιαστάσεις των δομικών μας μονάδων των κυττάρων, αλλά ακόμα και των μορίων που τα αποτελούν είναι επίσης πολύ μεγαλύτερες από τις μετρήσεις των κβαντικών φαινομένων

Ίσως ανάλογα παρανοικά φαινόμενα  συμβαίνουν όταν προσπαθούμε να καταννοήσουμε τις συμπαντικές διαστάσεις όπως π.χ. να παρατηρούμε εκρήξεις αστέρων που συνέβησαν εκατομύρια χρόνια πριν!

Ένα πρωτόνιο για παράδειγμα για να διασχίσει τον πυρήμα χρειάζεται χρόνο 10^-22 ενώ στις διασπάσεις β ενώ στον κόσμο των κουαρκς οι διασπάσεις β που λαμβάνουν χώρα σε χρόνο 10^-15  θεωρούνται αργές και αυτό οφείλεται στο ότι τα κβάντα που παίρνούν μέρος έχουν μεγάλη μάζα ηρεμίας (κι ας μιλάμε για σωματίδια μικρότερα των πρωτονίων)

Γι αυτό το θέμα, οι ειδικοί νόμοι του Χαιζεμπέργκ που ονομάζονται σχέσεις απροσδιοριστίας δηλώνουν ότι υπάρχουν ζεύγη φυσικών μεγεθών που δεν μπορούν να καθοριστούν ταυτόχρονα και με οποιανδήποτε ακρίβεια . Ένα από τα ζεύγη αυτά είναι η θέση και η ορμή ενός σωματιδίου κι ένα άλλο η ενέργεια και ο χρόνος.

Το γινόμενο της απροσδιοριστίας  των δυο μεγεθών δεν είναι μικρότερο από μια ελάχιστη τιμή που είναι τι 1/2h

Η αρχή του Χαϊζενμπεργκ λέει ότι , δεν μπορούμε να ορίσουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ταχύτητα ενός σωματιδίου. Μπορεί να μετρήσουμε είτε το ένα είτε το άλλο. Ο Γ. Βίγκνερ θεωρεί ότι όταν παρατηρούμε ένα σωματίδιο επιδρούμε στην συμπεριφορά του.
 

Το αξίωμα προβολής του Neumann

μεταφέρω από 

 Α. Αραγεώργης Τομέας ΑΚΕΔ, Σχολή ΕΜΦΕ, ΕΜΠ Το Πρόβλημα της Κβαντικής Μέτρησης

Ακολουθώντας τον von Neumann ([1955] 1996, σ. 351), η ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής αποπειράθηκε να λύσει το πρόβλημα εισάγοντας ένα αίτημα προβολής: κατά τη μέτρηση το σύστημα μεταπίπτει σε μια ιδιοκατάσταση του μετρουμένου μεγέθους και αυτή η διαδικασία («αναγωγή του διανύσματος κατάστασης») είναι στιγμιαία, ασυνεχής, μη ντετερμινιστική και μη αντιστρέψιμη

 Ένα κβαντικό σωματίδιο αποτελεί την υπέρθεση πολλών ταυτόχρονα δυναμικών καταστάσεων  σε μια εξ ίσου δυναμική αλληλοεξέρτηση . Σε μια μέτρηση σύμφωνα με ο αξίωμα της προβαλής, το σωματίδιο προβάλεται σε μια από τις καταστάσεις της υπέρθεσης και αυτό κάνει αδύνατο να λάβουμε όλες τις πληροφορίες γι αυτό.