Kuantum mekaniğinin ne olduğuna ve onu nasıl kullanabileceğimize geri dönelim.

Görünmez bir manzara

Tamam, yani kahve kokusu alıyorsun, neredeyse uyanıksın. Gözleriniz günlük rutine hazır, yanıp sönüyor ve biraz ışık alıyor. Düşündüğünüzde, yüzünüze ve gözlerinize giren ışık parçacıkları, atalarımızın ateş kullanmaya başladığı bir zamanda, güneşin merkezinde oluşmuş milyonlarca yıl önce. Koku duyumuzun, kuantum tünellemenin temeli olabilecek aynı fenomen için gerekli olmasaydı, güneş foton denen parçacıkları bile göndermezdi.

Yaklaşık 150 milyon kilometre Güneş ve Dünya'yı birbirinden ayırır, fotonların bu mesafeyi kat etmesi yalnızca sekiz dakika sürer. Bununla birlikte, yolculuklarının çoğu tipik bir fotonun kaçmaya çalışarak milyonlarca yıl geçirdiği güneşin içinde gerçekleşir. Böylece madde, hidrojenin kurşundan yaklaşık 13 kat daha yoğun olduğu yıldızımızın ortasında depolanır ve fotonlar, hidrojen iyonları absorbe edilmeden önce saniyenin son derece küçük bir kısmı boyunca seyahat edebilir, bu da Güneş'ten gitmek için bir fotonu ateşler, vb. Yaklaşık bir milyar sonra Bu tür etkileşimlerden sonra, sonunda milyonlarca yıldır burada parıldayan Güneş'in yüzeyinde bir foton belirir.

Kuantum Mekaniği (© Jay Smith)

Fotonlar asla oluşmazdı ve Güneş kuantum tünelleme olmadan parlamazdı. Güneş ve diğer tüm yıldızlar nükleer füzyon yoluyla ışık yaratır, hidrojen iyonlarını parçalar ve enerji açığa çıkaran bir süreçte helyum oluşturur. Güneş saniyede yaklaşık 4 milyon ton maddeyi enerjiye dönüştürür. Tek tek protonlar gibi yalnızca hidrojen iyonları pozitif elektrik yüküne sahiptir ve birbirlerini iter. Öyleyse birbirleriyle nasıl birleşebilirler?
Kuantum tünellemede, protonların dalga doğası bazen bir havuzun yüzeyinde birleşen dalgalar gibi kolayca üst üste gelmelerine izin verir. Üst üste binmeleri, proton dalgalarını yeterince yaklaştırır ki, yalnızca çok kısa mesafelerde etki eden güçlü bir nükleer kuvvet gibi başka bir kuvvet, parçacıkların elektriksel itişini yenebilir. Protonlar daha sonra bir foton salmak için bozunur.

Gözlerimiz fotonlara karşı çok hassastır

Gözlerimiz bu fotonlara çok duyarlı olacak şekilde gelişti. Son zamanlarda yapılan bazı deneyler, bireysel fotonları bile tespit edebildiğimizi gösterdi, bu da ilginç bir olasılığı ortaya çıkarır: İnsanlar bazı özel kuantum mekaniği durumlarını tespit edebilir mi? Bu, bir foton veya bir elektron veya Schrödinger'in talihsiz kedisi gibi bir kişinin, kuantum dünyasına doğrudan dahilse, aynı zamanda ölü ve canlı olduğu anlamına mı gelir? Böyle bir deneyim neye benzeyebilir?

İnsan gözü

New Mexico'daki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Rebecca Holmes, "Kimse denemediği için bilmiyoruz," dedi. Holmes, üç yıl önce Urbane-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nden mezun olduğunda, Paul Kwiat liderliğindeki bir ekibin parçasıydı ve insanların üç fotondan oluşan kısa ışık flaşlarını algılayabildiğini gösterdi. 2016 yılında, New York'taki Rockefeller Üniversitesi'nden fizikçi Alipaša Vaziri liderliğindeki rakip bir bilim insanı grubunun, insanların aslında bireysel fotonları gördüklerini keşfettiğini öğrendi. Ancak, deneyimin kesin olarak tanımlanması gerekmediğini görüyoruz. Doğa dergisine verdiği demeçte, foton flaşlarını kendi kendine görmeye çalışan Vaziri, "Bu ışık görmek gibi değil. Neredeyse fantezinin eşiğinde bir duygu. "

Kuantum mekaniği - deneyler

Yakın gelecekte Holmes ve Vaziri, fotonlar özel kuantum hallerine eklendiğinde insanların algıladıklarını test etmeyi umuyor. Örneğin, fizikçiler tek bir fotonu süperpozisyon dedikleri şeye bağlayabilirler, burada fotonlar aynı anda iki farklı yerde bulunur. Holmes ve meslektaşları, insanların fotonların süperpozisyonunu doğrudan algılayıp algılayamayacağını test etmek için iki senaryo içeren bir deney tasarladılar. İlk senaryoda, bir foton insan retinasının sol veya sağ tarafına ulaşacak ve biri retinanın hangi tarafında fotonu hissettiğini fark edecektir. İkinci senaryoda, foton bir kuantum süperpozisyonuna yerleştirilerek görünüşte imkansız olanı yapmasına - retinanın sağına ve soluna aynı anda uçmasına izin verecek.

Retinanın her iki tarafında ışık tespit edilir mi? Yoksa gözdeki bir fotonun etkileşimi süperpozisyonun 'çökmesine' neden olur mu? Eğer öyleyse, teorinin önerdiği gibi hem sağ hem de sol tarafta sık sık olur muydu?

Rebecca Holmes diyor:

"Standart kuantum mekaniğine dayalı olarak, süperpozisyondaki bir foton, sol veya sağ gerçekten rastgele iletilen bir fotondan muhtemelen farklı görünmez.

Deneydeki bazı katılımcıların aslında fotonu her iki yerde aynı anda algıladıkları ortaya çıkarsa, bu kişinin kendisinin kuantum durumda olduğu anlamına mı gelir?

Rebecca Holmes ekler:

"Gözlemcinin kuantum süperpozisyonunda ihmal edilebilecek kadar kısa bir sürede yalnız olduğunu söyleyebilirsiniz, ancak henüz kimse bunu denemedi, bu yüzden gerçekten bilmiyoruz. Bu yüzden böyle bir deney yapıyorsun. "

Kendi tarzınla algılıyorsun

Şimdi bir fincan kahveye geri dönelim. Kupayı elinizin derisine sıkıca temas eden sağlam bir malzeme parçası olarak hissediyorsunuz. Ama bu sadece bir illüzyon. Hiçbir şeye dokunmayız, en azından temas eden iki katı madde parçası anlamında. Bir atomun yüzde 99,9999999999'dan fazlası boş alandan oluşur, neredeyse tüm madde çekirdekte yoğunlaşmıştır.

Kuantum Mekaniği (© Jay Smith)

Bardağı elinizle tuttuğunuzda, onun gibi görünüyor güç, kaptaki ve eldeki elektronların direncinden gelir. Elektronların hiçbir hacmi yoktur, atomları ve molekülleri bir bulut gibi çevreleyen, negatif elektrik yükü alanının yalnızca görünen sıfır boyutlarıdır. Kuantum mekaniğinin yasaları, onları atomlar ve moleküller etrafındaki belirli enerji seviyelerine sınırlar.. El bardağı tutarken, elektronları bir seviyeden diğerine iter ve bu, beynin sağlam bir şeye dokunduğumuzda direnç olarak yorumladığı kas enerjisini gerektirir.

Dokunma duyumuz, vücudumuzun molekülleri etrafındaki elektronlar ile dokunduğumuz nesnelerin molekülleri arasındaki son derece karmaşık etkileşimden kaynaklanır. Bu bilgilerden beynimiz, diğer katı nesnelerle dolu bir dünyada hareket eden katı bir bedenimiz olduğu yanılsamasını yaratır.. Onlarla temas kurmak bize kesin bir gerçeklik duygusu vermez. Algılarımızın hiçbirinin gerçekte olanla uyuşmaması mümkündür. Irvine California Üniversitesi'nde bilişsel nörolog olan Donald Hoffman, duyularımızın ve beyinlerimizin gerçekliğin gerçek doğasını açığa çıkarmak için değil, gizlemek için evrimleştiğine inanıyor.

"Benim fikrim, her ne olursa olsun, gerçeğin çok karmaşık olduğu ve işlememiz için çok fazla zaman ve enerji alacağı."

Beyindeki dünya görüntüsünün bilgisayardaki grafik arayüz ile karşılaştırılması

Hoffman, beynimizdeki dünyanın yapısının görüntüsünü bir bilgisayar ekranındaki grafik arayüzle karşılaştırıyor. Geri Dönüşüm Kutusu, fare işaretçisi ve dosya klasörleri gibi ekrandaki tüm renkli simgelerin bilgisayarın içinde gerçekte olanlarla hiçbir ilgisi yoktur. Karmaşık elektroniklerle iletişim kurmamızı sağlayan sadece soyutlamalar, basitleştirmelerdir.

Hoffman'a göre evrim, beynimizi dünyayı sadık bir şekilde yeniden üretmeyen grafiksel bir arayüz gibi çalışacak şekilde değiştirdi. Evrim, doğru algının gelişimini desteklemez, sadece hayatta kalmaya izin veren şeyi kullanır.

Hoffman'ın dediği gibi:

"Gerçekliğin üzerinde kurallar oluşturun."

Hoffman ve lisansüstü öğrencileri, sınırlı kaynaklar için rekabet eden yapay yaşam formlarının simülasyonlarında fikirlerini test etmek için son yıllarda yüz binlerce bilgisayar modelini test ettiler. Her durumda, organizmalar, gerçekler doğru algılama için yapılanlarla eşleşmediğinde fiziksel uygunluğa öncelik verecek şekilde programlanmıştır.

Örneğin, bir organizma, örneğin çevrede bulunan toplam su miktarını doğru bir şekilde algılayacak şekilde tasarlandıysa ve daha basit bir şeyi, örneğin hayatta kalmak için gereken en uygun su miktarını algılamaya ayarlanmış bir organizma ile karşılaşırsa. Yani bir organizma daha doğru bir gerçeklik biçimi yaratabilirken, bu özellik onun hayatta kalma yeteneğini artırmaz. Hoffman'ın çalışmaları onu dikkate değer bir sonuca götürdü:

"Yaşamı sürdürmeye uyum sağladığımız ölçüde, gerçekliğe uyum sağlamayacağız. Bunu yapamayız. "

Kuantum teorisi

Düşünceleri, bazı fizikçilerin kuantum teorisinin merkezi fikri olarak kabul ettiği şeyle örtüşüyor - gerçekliğin algılanması tamamen objektif değil, gözlemlediğimiz dünyadan ayrılamayız.

Hoffman bu görüşü tam olarak yakalar:

"Uzay yalnızca bir veri yapısıdır ve fiziksel nesneler, uçuş sırasında oluşturduğumuz veri yapılarıdır. Bir tepeye baktığımda bu veri yapısını oluşturuyorum. Sonra bakıyorum ve bu veri yapısını kırıyorum çünkü artık ona ihtiyacım yok. "

Hoffman'ın çalışmasının gösterdiği gibi, kuantum teorisinin tam anlamını ve gerçekliğin doğası hakkında söylediklerini henüz düşünmedik. Planck, hayatının büyük bir bölümünde yaratılmasına yardım ettiği teoriyi anlamaya çalıştı ve her zaman bizden bağımsız olarak var olan nesnel bir evren algısına inandı.

Bir zamanlar öğretmeninin tavsiyesine rağmen neden fizik peşinde koşmayı seçtiğini yazmıştı:

"Dış dünya insandan bağımsız bir şeydir, mutlak bir şeydir ve buna uygulanan kanun arayışı bana kesinlikle hayatın en asil bilimsel deneyimi gibi göründü."

Profesörü Philip von Jolly gibi, fizikteki başka bir devrimin onun haklı mı yanlış mı olduğunu kanıtlaması bir yüzyıl daha alabilir.