Mimi na kivuli changu: mechanics ya quantum inapinga dhana ya utu

2024 Mwandishi: Malcolm Clapton | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 04:11

Kwa nini wewe? Unajuaje kuwa wewe ni mtu mwenye tabia na njia ya kipekee ya kufikiri? Quantum mechanics inatushauri tusijiamini kupita kiasi. Inawezekana kwamba sisi sote sio tofauti kama tunavyofikiria.

Martin Guerr na utambulisho ulioibiwa

Je! unajua kuhusu Martin Guerre? Huyu ni mkulima wa Ufaransa ambaye mara moja alijikuta katika hali ya kushangaza na isiyofurahisha. Martin aliishi katika kijiji kidogo. Mvulana huyo alipokuwa na umri wa miaka 24, wazazi wake wenyewe walimshtaki kwa kuiba. Herr alilazimika kuondoka nyumbani kwake, kuwaacha mkewe na mtoto wake. Miaka minane baadaye, mwanamume huyo alirudi kijijini kwao, akiwa ameungana tena na familia yake. Miaka mitatu baadaye, familia hiyo ilikuwa na watoto watatu.

Kila kitu kilionekana kuendelea kama kawaida. Lakini askari wa kigeni alitokea katika kijiji hicho, ambaye alitangaza kwamba alikuwa amepigana na Martin Gerr katika jeshi la Hispania na kwamba alikuwa amepoteza mguu wake katika vita. Familia ya Martin ilianza kutilia shaka ikiwa jamaa yao alirudi nyumbani miaka mitatu iliyopita. Baada ya jaribio la muda mrefu, iliibuka kuwa kitambulisho cha Guerra "kilitekwa nyara" na msafiri Arnault du Tilh. Martin halisi alikatwa mguu na aliteuliwa kuwa mhudumu katika nyumba ya watawa huko Uhispania. Walakini, kesi ya "mwizi wa kitambulisho" ilikuwa maarufu sana hivi kwamba Herr halisi alirudi katika kijiji chake cha asili. Hatima ya msafiri Arnaud du Thiel ilitiwa muhuri na hukumu fupi ya kifo. Na Martin mwenyewe alimshutumu mkewe kwa kusaidia mdanganyifu, bila kuamini kuwa mwanamke anaweza asimtambue mume wake mpendwa.

Hadithi hii ilisisimua akili za waandishi na wakurugenzi. Kulingana na nia yake, filamu ilipigwa risasi, muziki ulifanyika na hata mfululizo wa TV ulipigwa risasi. Kwa kuongezea, moja ya safu "The Simpsons" imejitolea kwa hafla hii. Umaarufu kama huo unaeleweka: tukio kama hilo hutusisimua, kwa sababu inaumiza kwa haraka - maoni yetu juu ya utambulisho na utu.

Tunawezaje kuwa na hakika kwamba mtu ni nani hasa, hata mpendwa zaidi? Utambulisho unamaanisha nini katika ulimwengu ambao hakuna kitu cha kudumu?

Wanafalsafa wa kwanza walijaribu kujibu swali hili. Walidhani kwamba sisi ni tofauti kutoka kwa kila mmoja katika nafsi, na miili yetu ni vibaraka tu. Inaonekana ni nzuri, lakini sayansi imekataa suluhisho hili kwa tatizo na kupendekeza kutafuta mzizi wa utambulisho katika mwili wa kawaida. Wanasayansi waliota ndoto ya kupata kitu katika kiwango cha hadubini ambacho kingetofautisha mtu mmoja na mwingine.

Ni vizuri kwamba sayansi ni sahihi. Kwa hivyo, tunaposema "kitu katika kiwango cha microscopic," sisi, kwa kweli, tunamaanisha vizuizi vidogo vya ujenzi vya mwili wetu - molekuli na atomi.

Walakini, njia hii ni ya utelezi zaidi kuliko inavyoweza kuonekana mwanzoni. Fikiria Martin Guerr, kwa mfano. Mkaribie kiakili. Uso, ngozi, vinyweleo … wacha tuendelee. Wacha tukae karibu iwezekanavyo, kana kwamba tuna vifaa vyenye nguvu zaidi kwenye safu yetu ya ushambuliaji. Tutapata nini? Elektroni.

Chembe ya msingi katika sanduku

Herr iliundwa na molekuli, molekuli hufanywa kwa atomi, atomi hufanywa kwa chembe za msingi. Hizi za mwisho zimetengenezwa "bila kitu"; ndio msingi wa ujenzi wa ulimwengu wa nyenzo.

Elektroni ni hatua ambayo kwa kweli haichukui nafasi yoyote. Kila elektroni imedhamiriwa tu kwa wingi, spin (angular kasi) na malipo. Haya ndiyo yote unayohitaji kujua ili kuelezea "utu" wa elektroni.

Ina maana gani? Kwa mfano, ukweli kwamba kila elektroni inaonekana sawa na nyingine yoyote, bila tofauti kidogo. Wanafanana kabisa. Tofauti na Martin Guerr na pacha wake, elektroni zinafanana sana hivi kwamba zinaweza kubadilishana kabisa.

Ukweli huu una maana fulani ya kuvutia. Hebu fikiria kwamba tuna chembe ya msingi A, ambayo inatofautiana na chembe ya msingi B. Kwa kuongeza, tulipata masanduku mawili - ya kwanza na ya pili.

Pia tunajua kwamba kila chembe lazima iwe katika moja ya masanduku wakati wowote. Kwa kuwa tunakumbuka kwamba chembe A na B ni tofauti kutoka kwa kila mmoja, zinageuka kuwa kuna chaguzi nne tu za maendeleo ya matukio:

• A iko kwenye kisanduku 1, B iko kwenye kisanduku 2;
• A na B hulala pamoja kwenye kisanduku 1;
• A na B hulala pamoja kwenye kisanduku 2;
• A iko kwenye kisanduku 2, B iko kwenye kisanduku 1.

Inabadilika kuwa uwezekano wa kupata chembe mbili mara moja kwenye sanduku moja ni 1: 4. Kubwa, imetatuliwa.

Lakini vipi ikiwa chembe A na B si tofauti? Kuna uwezekano gani wa kupata chembe mbili kwenye sanduku moja katika kesi hii? Kwa kushangaza, mawazo yetu huamua bila shaka: ikiwa chembe mbili zinafanana, basi kuna chaguzi tatu tu za maendeleo ya matukio. Baada ya yote, hakuna tofauti kati ya kesi wakati A iko kwenye kisanduku 1, B iko kwenye kisanduku 2, na kesi wakati B iko kwenye kisanduku 1, A iko kwenye kisanduku 2. Kwa hivyo uwezekano ni 1: 3.

Sayansi ya majaribio inathibitisha kwamba microcosm inatii uwezekano wa 1: 3. Hiyo ni, ikiwa ungebadilisha elektroni A na nyingine yoyote, Ulimwengu haungeona tofauti hiyo. Na wewe pia.

Elektroni za ujanja

Frank Wilczek, mwanafizikia wa nadharia katika Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts na mshindi wa Tuzo ya Nobel, alifikia hitimisho sawa na tulilofanya hivi punde. Mwanasayansi anaona matokeo haya sio ya kuvutia tu. Wilczek alisema kuwa ukweli kwamba elektroni mbili haziwezi kutofautishwa kabisa ni hitimisho la ndani na muhimu zaidi kutoka kwa nadharia ya uwanja wa quantum.

Risasi ya kudhibiti ni jambo la kuingiliwa ambalo "husaliti" elektroni na kutuonyesha maisha yake ya siri. Unaona, ikiwa unakaa na kutazama elektroni, inakuwa kama chembe. Mara tu unapogeuka, inaonyesha mali ya wimbi. Wakati mawimbi mawili kama hayo yanapoingiliana, huongeza au kudhoofisha kila mmoja. Kumbuka tu kwamba hatuna maana ya kimwili, lakini dhana ya hisabati ya wimbi. Hazihamisha nishati, lakini uwezekano - zinaathiri matokeo ya takwimu ya jaribio. Kwa upande wetu - hadi hitimisho kutoka kwa jaribio na sanduku mbili, ambalo tulipata uwezekano wa 1: 3.

Inashangaza, jambo la kuingiliwa hutokea tu wakati chembe zinafanana kweli. Majaribio yameonyesha kuwa elektroni ni sawa: kuingiliwa hutokea, ambayo ina maana kwamba chembe hizi haziwezi kutofautishwa.

Haya yote ni ya nini? Wilczek anasema kwamba utambulisho wa elektroni ndio hasa hufanya ulimwengu wetu uwezekane. Bila hii, hakutakuwa na kemia. Matter haikuweza kutolewa tena.

Ikiwa kulikuwa na tofauti yoyote kati ya elektroni, kila kitu kingegeuka kuwa machafuko mara moja. Asili yao sahihi na isiyo na utata ndio msingi pekee wa ulimwengu huu uliojaa kutokuwa na uhakika na makosa kuwepo.

Nzuri. Wacha tuseme elektroni moja haiwezi kutofautishwa na nyingine. Lakini tunaweza kuweka moja kwenye sanduku la kwanza, lingine kwa pili na kusema: "Elektroni hii iko hapa, na hiyo iko huko"?

"Hapana, hatuwezi," anasema Profesa Wilczek.

Mara tu unapoweka elektroni kwenye masanduku na kutazama mbali, huacha kuwa chembe na kuanza kuonyesha sifa za wimbi. Hii ina maana kwamba watapanuliwa sana. Ingawa inaweza kusikika, kuna uwezekano wa kupata elektroni kila mahali. Sio kwa maana kwamba iko katika pointi zote mara moja, lakini kwa ukweli kwamba una nafasi ndogo ya kuipata mahali popote ikiwa unaamua ghafla kurudi nyuma na kuanza kutafuta.

Ni wazi kuwa ni ngumu kufikiria hii. Lakini swali la kuvutia zaidi linatokea.

Je, elektroni ni gumu sana au nafasi iliyomo? Na kisha nini kinatokea kwa kila kitu kilicho karibu nasi tunapogeuka?

Aya ngumu zaidi

Inageuka kuwa bado unaweza kupata elektroni mbili. Tatizo pekee ni kwamba huwezi kusema: hapa ni wimbi la kwanza, hapa ni wimbi la elektroni ya pili, na sisi sote tuko katika nafasi ya tatu-dimensional. Haifanyi kazi katika mechanics ya quantum.

Unapaswa kusema kwamba kuna wimbi tofauti katika nafasi ya tatu-dimensional kwa elektroni ya kwanza na kuna wimbi la pili katika nafasi ya tatu-dimensional kwa pili. Mwishoni, inageuka - kuwa na nguvu! ni mawimbi yenye sura sita ambayo huunganisha elektroni mbili pamoja. Inasikika mbaya, lakini basi tunaelewa: elektroni hizi mbili hazining'inie tena, hakuna anayejua wapi. Nafasi zao zimefafanuliwa wazi, au tuseme, zimeunganishwa na wimbi hili la sita-dimensional.

Kwa ujumla, ikiwa mapema tulifikiri kuwa kuna nafasi na vitu ndani yake, basi, kwa kuzingatia nadharia ya quantum, tutalazimika kubadilisha kidogo uwakilishi wetu. Nafasi hapa ni njia tu ya kuelezea miunganisho kati ya vitu, kama vile elektroni. Kwa hivyo, hatuwezi kuelezea muundo wa ulimwengu kama sifa za chembe zote zilizochukuliwa pamoja ambazo huunda. Kila kitu ni ngumu zaidi: lazima tujifunze miunganisho kati ya chembe za msingi.

Kama unaweza kuona, kwa sababu ya ukweli kwamba elektroni (na chembe zingine za msingi) zinafanana kabisa kwa kila mmoja, wazo la kitambulisho linabomoka na kuwa vumbi. Inatokea kwamba kugawanya ulimwengu katika vipengele vyake ni makosa.

Wilczek anasema kwamba elektroni zote zinafanana. Wao ni udhihirisho wa shamba moja ambalo linaenea nafasi na wakati wote. Mwanafizikia John Archibald Wheeler anafikiri tofauti. Anaamini kwamba hapo awali kulikuwa na elektroni moja, na nyingine zote ni athari zake tu, zinazopenya wakati na nafasi. “Upuuzi ulioje! - unaweza kusema mahali hapa. "Wanasayansi wanatengeneza elektroni!"

Lakini kuna moja lakini.

Nini ikiwa yote ni udanganyifu? Elektroni ipo kila mahali na popote. Yeye hana fomu ya nyenzo. Nini cha kufanya? Na ni nini basi mtu ambaye ana chembe za msingi?

Sio tone la matumaini

Tunataka kuamini kwamba kila jambo ni zaidi ya jumla ya chembe zake za msingi. Je, ikiwa tutaondoa malipo ya elektroni, wingi wake na spin na kupata kitu katika salio, utambulisho wake, "utu" wake. Tunataka kuamini kwamba kuna kitu ambacho hufanya elektroni kuwa elektroni.

Hata kama takwimu au majaribio hayawezi kufichua kiini cha chembe, tunataka kuiamini. Baada ya yote, basi kuna kitu ambacho hufanya kila mtu kuwa wa kipekee.

Tuseme hakungekuwa na tofauti kati ya Martin Gerr na wawili wake, lakini mmoja wao angetabasamu kimya kimya, akijua kwamba yeye ndiye halisi.

Ningependa kuiamini sana. Lakini mechanics ya quantum haina moyo kabisa na haitaturuhusu kufikiria juu ya kila aina ya upuuzi.

Usidanganywe: ikiwa elektroni ingekuwa na kiini chake cha kibinafsi, ulimwengu ungegeuka kuwa machafuko.

SAWA. Kwa kuwa elektroni na chembe nyingine za msingi hazipo, kwa nini tunaishi?

Nadharia ya kwanza: sisi ni theluji

Moja ya mawazo ni kwamba kuna chembe nyingi za msingi ndani yetu. Wanaunda mfumo mgumu katika kila mmoja wetu. Inaonekana kwamba ukweli kwamba sisi sote ni tofauti ni matokeo ya jinsi mwili wetu unavyojengwa kutoka kwa chembe hizi za msingi.

Nadharia ni ya kushangaza, lakini nzuri. Hakuna chembe za msingi zilizo na umoja wake. Lakini pamoja huunda muundo wa kipekee - mtu. Ikiwa unapenda, sisi ni kama vipande vya theluji. Ni wazi kwamba wote ni maji, lakini muundo wa kila mmoja ni wa pekee.

Asili yako ni jinsi chembe zimepangwa ndani yako, sio nini hasa umeundwa. Seli katika mwili wetu zinabadilika kila wakati, ambayo ina maana kwamba jambo pekee ambalo ni muhimu ni muundo.

Nadharia ya pili: sisi ni mifano

Kuna njia nyingine ya kujibu swali. Mwanafalsafa wa Marekani Daniel Dennett alipendekeza kubadilisha dhana ya "kitu" na neno "mfano halisi". Kulingana na Dennett na wafuasi wake, kitu ni halisi ikiwa maelezo yake ya kinadharia yanaweza kurudiwa kwa ufupi zaidi - kwa kifupi, kwa kutumia maelezo rahisi. Ili kuelezea jinsi hii inavyofanya kazi, wacha tuchukue paka kama mfano.

Kwa hiyo, tuna paka. Kitaalam, tunaweza kuifanya upya kwenye karatasi (au karibu) kwa kuelezea nafasi ya kila chembe ambayo imeundwa, na hivyo kuchora mchoro wa paka. Kwa upande mwingine, tunaweza kufanya tofauti: sema tu "paka". Katika kesi ya kwanza, tunahitaji nguvu kubwa ya kompyuta ili sio tu kuunda picha ya paka, lakini pia, sema, kuifanya kusonga, ikiwa tunazungumzia kuhusu mfano wa kompyuta. Katika pili, tunahitaji tu kuchukua pumzi kubwa na kusema: "Paka ilitembea karibu na chumba." Paka ni mfano halisi.

Hebu tuchukue mfano mwingine. Hebu fikiria utunzi unaojumuisha ncha ya sikio ya kushoto, tembo mkubwa zaidi nchini Namibia, na muziki wa Miles Davis. Itachukua muda mwingi kuunda kitu hiki kwa hesabu. Lakini maelezo ya maneno ya monster hii ya ajabu itachukua wewe kiasi sawa. Haitafanya kazi kufupisha, kusema kwa maneno mawili, pia, kwa sababu muundo kama huo sio wa kweli, ambayo inamaanisha kuwa haipo. Huu sio mfano halisi.

Inabadilika kuwa sisi ni muundo wa kitambo tu unaoonekana chini ya macho ya mtazamaji. Wanafizikia huongeza mafuta kwenye moto na kusema kwamba labda katika mwisho itageuka kuwa ulimwengu haujafanywa chochote. Kwa sasa, inabakia kwetu kuelekeza kwa kila mmoja na ulimwengu unaozunguka, kuelezea kila kitu kwa maneno na kusambaza majina. Kielelezo kigumu zaidi, ndivyo tunavyozidi kukandamiza maelezo yake, na kuifanya kuwa halisi. Chukua, kwa mfano, ubongo wa mwanadamu, mojawapo ya mifumo tata zaidi katika ulimwengu wote mzima. Jaribu kuielezea kwa kifupi.

Jaribu kuielezea kwa neno moja. Nini kinatokea?