Дедо Мраз ни помага да ги разбереме законитостите на квантната механика

02.01.2023 01:23

Зошто никогаш не сте го виделе Дедо Мраз? Ајде веднаш да го отфрлиме тривијалниот, глупав одговор дека Дедо Мраз не постои. Но, кога ќе го направиме тоа, се соочуваме со тоа дека секоја класична „научна“ анализа на овој феномен нè води низ тешко решливи проблеми. Како и да погледнете, круцијален проблем е како само еден Дедо Мраз успева во една ноќ на секое дете да му донесе новогодишен подарок. Меѓутоа, ако наместо класичната физика си помогнеме со малку квантно размислување, може да се дојде до неочекувани, но веродостојни одговори.

Колку подароци треба да подели Дедо Мраз?

Ако претпоставиме дека во моменталните геополитички околности новогодишни пакетчиња добива барем една четвртина од планетата, може да се процени дека Дедо Мраз мора да подели дури 750 милиони подароци само за една ноќ. Тоа значи дека вкупниот волумен на сите подароци е 1,5 милиони кубни метри и дека санките со ирваси влечат товар кој зазема простор како 600 просечни десеткатни згради. Ако ниеден подарок не тежи повеќе од половина килограм, вкупната маса на сите подароци е барем 375 000 тони.

Иако таа полека се намалува во текот на ноќта додека Дедо Мраз дели подароци, нема класично објаснување со какво возило е можно да се придвижи толкав товар. Дури и ако ирвасите се магични, енергијата која би ја ослободувал секој од нив ја надминува ослободената енергија како на пример експлозијата над Хирошима, што е мошне непријатно. Затоа е неопходно проблемот да се разгледа не од класичен, туку од квантно-механички аспект.

Со колкава брзина се движат санките на Дедо Мраз?

Дедо Мраз дели подароци помеѓу 21 часот навечер и 7 часот наутро на 1 јануари, ако се земе предвид дека на планетата се движи во насока од исток кон запад и дека ги следи временските зони, за целата работа на располагање има вкупно 34 часа. За да успее да ги помине сите 100 милиони квадратни километри од копнениот дел на Земјата и да посети барем 750 милиони домови, Дедо Мраз би морал да се движи со релативистичка брзина од барем 25 000 километри во секунда, што е речиси десетти дел од брзината на светлината. Значи, овие груби проценки укажуваат дека не може да стане збор за класичен макроскопски феномен.

Колку помошници има Дедо Мраз?

Во повеќето рационализирани објаснувања за делењето новогодишни подароци, секогаш се влегува во истата замка. Имено, убавата легенда за Дедо Мраз непотребно се комплицира со дополнително измислување цела фабрика помошници кои пакуваат подароци и однапред ги дистрибуираат ширум планетата.

Дедо Мраз иницијално е замислен како лик што работи сам. Тоа нè воведува во неопходниот заклучок дека на сите места одеднаш се појавува само еден Дедо Мраз.

Каде се наоѓа Дедо Мраз?

Тоа е пресудно прашање. Од аспект на квантната механика не е невозможно само еден Дедо Мраз да се појави на сите места одеднаш. За почеток, доволно е да видиме колку е можно да биде на две места одеднаш. За да се разбере за што станува збор, не е лошо да се погледне славниот експеримент по физика со електрон и два отвори.

Обидувајќи се да дознаат по кој пат оди електронот пред да удри во некаква завеса, физичарите овој експеримент го конструирале така што тој пред тоа може да помине низ отворот 1 или отворот 2. Меѓутоа, сосема сериозните, илјадапати повторени мерења во разни лаборатории покажуваат дека еден електрон може истовремено да помине низ двата отвори и потоа самиот да направи таканаречена интерференција на завесата. Според таканареченото Копенхашко толкување на квантната механика, на кое кумуваше физичарот Нилс Бор, електронот како квантен објект не мора да биде само во една или друга состојба, туку и во збир од две состојби.

Во која состојба се наоѓа Дедо Мраз?

Во квантната механика, некој објект може да биде во состојба 1, во состојба 2, но и во состојба 1+2. Таа состојба стручно се нарекува кохерентна суперпозиција (збир) на состојби. Едноставно кажано, квантната механика тврди дека ако состојбата 1 значи дека честичката поминува низ отворот 1, а состојбата 2 дека поминува низ отворот 2, тогаш е сосема можно честичката истовременода поминува и низ отворот 1 и отворот 2, односно дека се наоѓа во кохерентна состојба 1+2.

Неверојатно е што тоа сосема евидентно го потврдуваат експериментите со сите квантни честички, односно оние кои живеат во светот сразмерен на Планковата должина. Ако замислиме дека, некако, и Дедо Мраз е квантен феномен, додека дели подароци, тој во еден момент може да ја посети куќата 1, куќата 2, но и куќата 1+2. Значи, Дедо Мраз може да биде во суперпозиција на повеќе состојби. Всушност, квантната механика дозволува Дедо Мраз одеднаш да биде во суперпозиција на сите 750 милиони состојби, колку што треба да посети домови. Функцијата која би го опишала во квантната механика би подразбирала збир на сите состојби. Тоа значи дека за новогодишната ноќ Дедо Мраз не мора да се брза, без релативистички брзини и надреален погон за ирвасите, да остава еден или неколку подароци во еден дом зашто сето тоа го прави на сите локации, бидејќи е во суперпозиција на состојби. Исто како и електронот кој истовремено поминува низ повеќе отвори. Меѓутоа, целиот трик е никогаш да не се обидеме да утврдиме дали во моментот е токму во нашиот дом - квантномеханичкиот одговор е дека во секој дом се добива одговорот дека е токму во него.

Зошто Дедо Мраз е недофатлив?

Наспроти можноста една честичка во ист момент да биде во повеќе состојби, квантната механика не дозволува какво било мерење да биде независно од оној што го изведува. Ако се обидеме да откриеме во кој дом точно е Дедо Мраз, веднаш ќе влијаеме на него. Исто како што експериментаторот секогаш влијае на квантниот систем. Кога и да се обидеме да видиме дали електронот е во состојба 1, добиваме резултат дека тој е токму во таа состојба. Ако во случајот со електронот го затвориме отворот 2, веднаш откриваме дека електронот поминал низ отворот 1. Ако го затвориме отворот 1, електронот ќе го затекнеме во отворот 2. А кога се отворени двата отвори и со ништо не мериме каде е точно, електронот се однесува како да е на двете места истовремено. Самото мерење во квантната механика секогаш подразбира таканаречен колапс на брановата функција во една положба. Ако некое дете го види, неговата положба би била измерена, би дошло до колапс на брановата функција на Дедо Мраз и би се покажало дека тој бил токму во нашиот дом и дека не бил во другите домови, што не е точно, зашто сите добри деца ги наоѓаат неговите подароци под елката.