კვანტური ფიზიკის სპოილერი: სუპერპოზიცია

(დაფუძნებულია რეალურ ამბებზე)

თქვენ წინაშეა ერთ–ერთი ყველაზე  დამაბნეველი ამბავი ფიზიკის ისტორიაში, ამ ამბის მთავარი გმირები კი ელექტრონები არიან. თუ რაში გამოიხატება მათი უცნაურობები, ჩვენ მიერ ჩასატარებელი  ექსპერიმენტების დახმარებით გავიგებთ. შედეგები, რომლებსაც მივიღებთ, უკვე აჭარბებს ერთ სტატიაში დასაშვებ ფიზიკის კონცენტრაციის ნორმას. ამიტომ, მოდით, მარტივად, ყველანაირი სპინების, ტალღური ფუნქციებისა და ერმიტული ოპერატორების გარეშე, დავიწყოთ ასე:

დავუშვათ, ელექტრონს აქვს ორი თვისება. მას გააჩნია განწყობა და ინტელექტი. განწყობის მხრივ, ელექტრონები შეიძლება იყვნენ ან მხოლოდ ბედნიერები, ან მხოლოდ მოწყენილები. ხოლო ინტელექტის მხრივ, – ან მხოლოდ მაღალი ინტელექტის მქონენი, ან მხოლოდ დაბალის. ამასთან, გვაქვს საზომი ხელსაწყოები, ორი სახის ყუთი: ერთი განწყობის დეტექტორი, მეორე კი – ინტელექტის, შესაბამისი თვისებების გამოსარკვევად. პრინციპი მარტივია: ყუთს აქვს ერთი შესასვლელი და ორი გამოსასვლელი. ვთქვათ, ელექტრონი შედის განწყობის საზომ ყუთში. თუ იგი ბედნიერია, ბენიერების გამოსასვლელიდან გამოდის, ხოლო თუ მოწყენილია, – მოწყენილების გამოსასვლელიდან. რა თქმა უნდა, იგივე ხდება ინტელექტზეც.

ფიგურა 1

ექსპერიმენტები, რომლებიც ელექტრონებზე ჩატარდა, საერთოდ არ არის რთული კონცეფციის. ალბათ, სანამ მე თითოეულის აღწერას დავიწყებ, თქვენ ეს უკვე გაფიქრებული გექნებათ. მაშ ასე, პირველ რიგში, გავიგოთ, როგორი ელექტრონები ჭარბობენ, მოწყენილები თუ ბედნიერები. ამისთვის, ელექტრონები შევუშვათ განწყობის ყუთში. ვნახავთ, რომ იქიდან გამოსულ ელექტრონებს შორის ნახევარი მოწყენილია, დარჩენილი ნახევარი კი –ბედნიერი. იგივე სტატისტიკა გვაქვს მეორე თვისებაზეც. ინტელექტის ყუთიდან გამოსულ ელექტრონებს შორის 50 პროცენტი მაღალი ინტელექტისაა, ხოლო 50 – დაბალის.

ფიგურა 2

მომდევნო დაკვირვება გვეუბნება, რომ  ბედნიერი ელექტრონი ბედნიერად რჩება. თავად დაკვირვება მდგომარეობს შემდეგში: ჩვენ 1000 ელექტრონს გავუზომეთ განწყობა, როგორც ველოდით, მივიღეთ 500 ბედნიერი და 500 მოწყენილი. ამის შემდეგ მიღებული 500 ბედნიერს გავუზომეთ იგივე თვისება და მივიღეთ ხუთასივე ბედნიერი. ამგვარი შედეგები გვაქვს ყველა სხვა თვისებაზეც.

ფიგურა 3

ამასობაში გაგვიჩნდა ლოგიკური კითხვა ამ ორი თვისების კორელაციის შესახებ. მოდით, შევამოწმოთ. ამისთვის ავიღოთ განწყობის მხრივ ერთნაირი ელექტრონები და შევამოწმოთ მათი ინტელექტი. მაგალითად, განწყობის ყუთიდან გამოსული  500 ბედნიერი ელექტრონი ამჯერად გავუშვათ პირდაპირ ინტელექტის საზომ ყუთში. ვნახავთ, რომ იქიდან ნახევარი, ანუ 250 ელექტრონი, მაღალი ინტელექტის მქონე გამოვა, ხოლო დანარჩენი 250 – დაბალის. ალბათ, ამასაც ველოდით, რადგან ინტელექტზე არანაირი წინმსწრები ინფორმაცია არ გვქონია, ამიტომაც ელექტრონის ინტელექტუალური შესაძლებლობები თანაბარალბათური აღმოჩნდა. ასევე  მოხდება ყველა სხვა კომბინაციისას. 

ფიგურა 4

მაგრამ, ეს შედეგი ჯერ კიდევ არ აღწერს საკმარისად კარგად ამ ორ თვისებას შორის კავშირს. კიდევ ერთი დაკვირვება გვჭირდება. მოდით, გავაგრძელოთ წინა ექსპერიმენტი, ინტელექტის ყუთიდან გამოსულებს შორის ავირჩიოთ რომელიმე და ისევ შევუმოწმოთ განწყობა. ვთქვათ, დაბალი ინტელექტის ელექტრონები ავიღოთ და შევუშვათ განწყობის ყუთში. ალბათ ელით რომ ისინი ყველანი ბედნიერები გამოვლენ, რადგან სწორედ ამ თვისების მქონე ელექტრონებზე გავაგრძელეთ ჩვენ დაკვირვება, მაგრამ უნდა გაგაწბილოთ და გითხრათ რომ შედეგად გვეყოლება როგორც ბედნიერები, ასევე მოწყენილები. ამასთან, ტოლი წილით.

ფიგურა 5

მოდით, გავაანალიზოთ შედეგი. ვნახეთ, რომ კონკრეტული განწყობის მქონე ელექტრონებმა, ინტელექტის გაზომვის შემდეგ, დაკარგეს განწყობის  დამახასიათებელი ნიშანი. მსგავსად ხდება ყველა კომბინაციისას. გამოდის, რომ რომელიმე თვისების გაზომვისას, ელექტრონი კარგავს მეორე თვისებაზე ინფორმაციას. პრობლემა  შეიძლება ამგვარად ჩატარებულ ექპერიმენტს დავაბრალოთ, მაგრამ როგორც არ უნდა ვეცადოთ, ჩვენ ამ ორი საზომისგან ვერ შევქმნით ისეთ ხელსაწყოს, რომელიც გვეტყვის რომ კონკრეტული ელექტრონი განწყობის მიხედვით ასეთია და ინტელექტის მიხედვით ასეთი. მხოლოდ ერთ–ერთ თვისებაზე შეიძლება ინფორმაციის არსებობა. თუ ვიცით როგორია ელექტრონი განწყობის მიხედვით, მაშინ ვერ გვეცოდინება მისი ინტელექტუალური შესაძლებლობა და პირიქით. სწორედ ეს გახლავთ თქვენთვის აქამდე (და ალბათ, გარკვეულწილად, ამის შემდეგაც) მისტიკურად მიჩნეული განუზღვრელობის პრინციპი, რომელიც, სინამდვილეში, მარტივ რამეს ამბობს. იგი მდგომარეობს იმაში, რომ ერთი თვისების გაზომვისას ინფორმაცია მეკარგება მეორეზე, ანუ არ შემიძლია ვიცოდე ორი დამახასითაბელი ნიშანი ერთდროულად.

ეს პრინციპი ბევრად უფრო მარტივად მისაღებია იმასთან შედარებით, რაც წინ გელოდებათ.  ჩავიდეთ უფრო დიდ სიღრმეებში და კიდევ რამდენიმე დაკვირვება ჩავატაროთ. ექსპერიმენტები არც ახლაა რთული სტრუქტურის. მოდით, ინტელექტის საზომი ყუთიდან გამოსულ ორგვარ ელექტრონებს სარკეების დახმარებით ისევ თავი მოვუყაროთ და ერთი მიმართულება მივცეთ. სქემა რთული არაა, შეგვიძლია ამაზე ბევრი ფიქრით თავი არ შევიწუხოთ. დამიჯერეთ, ეს მარტივად მოხერხდება.

მაშ ასე, მოვიქცეთ თითქმის იმავენაირად. დასაკვირვებლად ავიღოთ 1000 ელექტრონი და გავუზომოთ განწყობა. გადანაწილების შემდეგ ავარჩიოთ კონკრეტული განწყობის მქონენი, მაგალითად, ბედნიერები და ხუთასივე შევუშვათ ზემოთ აღწერილ ინტელექტის განახლებულ საზომში, ამ ნიშნით გადანაწილებისა და ისევ შერევის შემდეგ  მიღებულ 500 ელექტრონს ისევ გავუზომოთ განწყობა. 

ფიგურა 6

რას ელოდებით, რა განწყობით გამოვლენ ელექტრონები? მოდით, ვიმსჯელოთ: თუ მაღალი ინტელექტის ელექტრონების ნახევარი ბედნიერი იყო, ნახევარი – მოწყენილი და ასევე იყო დაბალი ინტელექტის ელექტრონებისთვისაც, მაშინ ამ შემთხვევაშიც უნდა მივიღოთ ნახევარი მოწყენილი, ნახევარი – ბედნიერი. ალბათ, დამეთანხმებით, თუმცა ახლაც უნდა გაგაწბილოთ და გითხრათ, რომ ყველანი შეინარჩუნებენ თავდაპირველ განწყობას და ბედნიერები გამოვლენ ბოლო დეტექტორიდან.

ფიგურა 7

 დასკვნებისგან ჯერ თავი შევიკავოთ და ერთი რამ გადავამოწმოთ, რაც, ალბათ, თქვენ უკვე გაიფიქრეთ. ამჯერად, ახლახანს შექმნილ ხელსაწყოს ერთი თვისება დავამატოთ, ინტელექტის დეტექტორიდან გამოსულ, მაღალი ინტელექტის მქონე ელექტრონებს გზა გადავუღობოთ და დანარჩენი იგივენაირად დავტოვოთ. ამჯერად კი ვიღებთ რომ ელექტრონებმა დაკარგეს თავიანთ განწყობაზე ინფორმაცია და ისევ მათი ნახევარი ბედიერია და ნახევარი მოწყენილი.

ფიგურა 8

მეგობრებო, ახლა უკვე დიდ პრობლემებში ვართ. ალბათ, გაგიჩნდათ კითხვა, სინამდვილეში რა გზას გადიან ელექტრონები მე-7 ექსპერიმეტში, ინტელექტის გაზმოვის შემდეგ. მოდით, მაღალი ინტელექტის მქონეთა გავლილ გზას დავარქვათ A, ხოლო დაბალი ინტელექტის მქონეთა გავლილს – B. დავაკვირდეთ თითოეულ ელექტრონს, სად იმყოფებიან დეტექტორიდან გამოსვლის შემდეგ:

  1. ელექტრონმა გაიარა A გზა;
  2. ელექტრონმა გაიარა B გზა;
  3. ელექტრონმა გაიარა ორივე გზა;
  4. ელექტრონს არც ერთი არ გზა გაუვლია.

ის  ვერც მხოლოდ A-ს  და ვერც მხოლოდ B გზაზე ვერ იქნება, რადგან ამ შემთხვევაში პასუხად, როგორც მე–8 (და მე-5) ექსპერიმენტში ვნახეთ, უნდა მიგვეღო 50/50. ხომ შეიძლება რომ ელექტრონები რაღაცნაირად ორივე გზას გადიოდნენ? ამისთვის, მოდით, ექსპერიმენტის მსვლელობისას დავაკვირდეთ თითოეულ ელექტრონს. ჩვენ აუცილებლად აღმოვაჩენთ, რომ მათგან ზოგი A გზაზეა, ზოგი კი – B–ზე. რაც შეეხება მეოთხე ვარიანტს, ისიც გამორიცხულია, რადგან ამ შემთხვევაში ისინი ყუთიდან საერთოდ არ გამოვიდოდნენ. როგორც ხედავთ, ოთხივე ლოგიკური შესაძლებლობა ამოვწურეთ.

მაშინ რასთან გვაქვს საქმე?! სავარაუდოა რომ ჩვენ მიერ დადგენილი ლოგიკური მდგომარეობები არ ყოფილა მთლად სრულყოფილი ელექტრონებისთვის. როგორც ჩანს, მათ ახასიათებთ არსებობის ის რეჟიმები, რომლებიც ჩვენთვის საკმაოდ უცნაურია. სწორედ ასეთ “უცნაურ” მდგომარეობაში იყვნენ დასაკვირვებელი ელექტრონები ზემოთ აღწერილ ექსპერიმენტში. ხოლო მათი ამგვარად ყოფნის რეჟიმს ჰქვია სუპერპოზიცია. ისინი არ არიან არც მხოლოდ მაღალი და არც მხოლოდ დაბალი ინტელექტის, არამედ, – მოცემული ორი მდგომარეობის სუპერპოზიციაში. თუ როგორ ხდება ეს ყველაფერი, ეს უკვე კვანტური ფიზიკაა.

როგორც დაგპირდით, ყოველგვარი ფიზიკური ტერმინის გარეშე ვაპირებდი წერას, ამიტომ აქ გავჩერდები. თქვენ უკვე იცით, როგორ დაიწყო კვანტური ფიზიკა, თუმცა როგორ გრძელდება ის, ამას უკვე ნამდვილად სჭირდება სპინებიც და ერმიტული ოპერატორებიც. თუ გექნებათ სურვილიც და გამბედაობაც მათთან შესახვედრად, ცოტა ხანში უფრო დეტალურად მოგიყვებით ამ ყველაფერს.


ბიბლიოგრაფიია:

  1. David Z Albert, “Quantum mechanics and experience”. Harvard University Press. Cambridge, Massachusetts, 1992.

ფოტო: https://www.sciencenews.org/article/antimatter-quantum-theory-particle-wave-double-slit-experiment

ელენე კრავიშვილი

Back to top