Jautājums:
Vai kvantu fizikas rašanās laikā un atklājumi tajā kaut kādā veidā mainīja priekšstatu par jau zināmām un pierādītām parādībām astrofizikā un astronomijā?
Pasniedzēja atbilde:
Jā, pavisam noteikti. Visvairāk šajā kontekstā droši vien jārunā par astrofiziku. Viens no šādiem jautājumiem, kas saistīts ar kvantu fiziku, ir tumšā matērija, par kuras dabu šobrīd izsakām tikai hipotēzes, bet, kas tā ir, droši nezinām. Tumšā matērija veido vairāk nekā piekto daļu Visuma masas. Šobrīd galvenās hipotēzes ir tādas, ka tumšo matēriju varētu veidot noteiktas kvantu daļiņas, un to eksperimentāliem meklējumiem un mēģinājumiem tās detektēt tiek veltīts daudz pūļu.
Melno caurumu “iztvaikošana” jeb pakāpeniska to samazināšanās un visbeidzot izzušana pēc tam, kad tie ir izveidojušies, – Hokinga starojums. Tas ir tīrs kvantu efekts.
Kvantu fizikas apvienošana ar vispārējo relativitātes teoriju jeb kvantu gravitācijas teorijas izveidošana ir viens no lielākajiem izaicinājumiem fizikā. Stīgu teorija ir solis šajā virzienā.
Jautājums:
Kāda loma mūsdienās ir Lielajam hadronu paātrinātājam saistībā ar līdz galam neizpētītiem procesiem kvantu fizikā?
Pasniedzēja atbilde:
Galvenais mērķis eksperimentiem, kas tiek veikti ar Lielo hadronu paātrinātāju, ir Standarta modeļa (mūsdienu elementārdaļiņu teorijas) pārbaude. Arī manis pieminētā tumšā matērija tiek meklēta CERN, risināts jautājums, kādēļ Visumā pamatā atrodam tikai vielu, bet ne antivielu. Saskaņā ar mūsu teorijām, abām būtu jābūt vienādā daudzumā. CERN pārbauda, vai atomi un antiatomi tiešām ir tik līdzīgi, kā mēs to paredzam.
Jautājums:
Kad daļiņa uzvedas kā vilnis, vai Debrojī vilnis svārstās gan telpā gan laikā, līdzīgi kā vilnis klasiskajā fizikā, kur vilnim ir noteikts “periods”? Citiem vārdiem, vai varbūtība, ka elektrons lokalizēsies šeit, ir lielāka vienā brīdī, bet pēc mirkļa lielāka varbūtība to sastapt būs citā telpas punktā? Ja jā, vai tādā gadījumā viļņa kolapsa punktu telpā iespaido tas, kurā brīdī tiek veikts mērījums?
Pasniedzēja atbilde:
Paldies par precīzu būtisku jautājumu. Jā, Debrojī vilnis mainās gan telpā, gan arī laikā. Taču ne īsti tā, kā viļņi klasiskajā fizikā. Atšķirībā no viļņiem klasiskajā fizikā Debrojī vilnis ir komplekss vilnis matemātiskā nozīmē. Tā vērtību katrā laika un telpas punktā apraksta komplekss skaitlis. Nezinu Jūsu pieredzi ar matemātiku, bet tas ir skaitlis, kam ir reālā daļa un imaginārā daļa. Ja par šo nekas nav dzirdēts, tā arī nav liela nelaime, lai saprastu tālāko.
Fizikāla jēga (nomērāms lielums) ir tikai šā viļņa [moduļa (atkal kaut kas no komplekso skaitļu teorijas, ko var izlaist)] kvadrātam. Šis kvadrāts vienmēr ir reāls skaitlis. Daudzos gadījumos tas nav atkarīgs no laika. Un tātad varbūtība atrast daļiņu noteiktos telpas punktos nav atkarīga no laika. To sauc par stacionāru gadījumu. Bet stacionāru nevis tādēļ, ka vilnis nesvārstās, bet gan tādēļ, ka varbūtība nav atkarīga no laika. Varbūtība būs stacionāra visos tajos gadījumos, ja ārējie apstākļi [atkal svešvārds – potenciāls] nav atkarīgi no laika. Piemēram, elektrons riņķo ap mierā esošu, nekustīgu atoma kodolu. Varbūtība būs atkarīga no laika tikai tad, ja ārējie apstākļi mainās. Piemēram, elektrons, kas atrodas gaismas viļņa elektriskajā laukā, kurš brīžiem ir spēcīgāks, brīžiem mazāk spēcīgs.
Atbilde iznāca samērā abstrakta un ar tehniskām detaļām, bet tāda ir fizika, ja mēs ejam dziļāk. Atbildes daļa kvadrātiekavās noderēs, ja zināt matemātiku krietni virs vidējā. Tomēr, ja par kompleksiem skaitļiem nekas nav dzirdēts, šo teksta daļu var droši izlaist, un atbilde nekļūs mazāk precīza. Tikai mazāk tehniska.
Jautājums:
Kā de Brojī pierādīja viļņa īpašības?
Pasniedzēja atbilde:
De Brojī to nepierādīja, un to nav iespējams teorētiski pierādīt. De Brojī ideja (hipotēze) tika izmantota, lai izrēķinātu, piemēram, ūdeņraža atoma atļautās enerģijas – enerģētiskos stāvokļus, kādos var atrasties ūdeņraža atoms. Izrādījās, ka izrēķinātie stāvokļi precīzi atbilst tam, kas tika novērots eksperimentā. Kad tas atkārtojās arī citos eksperimentos, ne tikai ar ūdeņraža atoma stāvokļiem, tas bija iemesls pārliecībai, ka De Brojī ideja par daļiņu viļņu īpašībām ir pamatota.
Jautājums:
Kā vienkāršs skaņu vilnis spēj nodot tik niansētu skaņu, kas ir cilvēka balss? Nav taču tikai “klusāk/skaļāk”.
Pasniedzēja atbilde:
Fiziķi to sauc par modulāciju. Skaņas vilnis, kas satur niansētu informāciju – cilvēka teikto, orķestra mūziku utt., nav vienkārši vilnis ar noteiktu amplitūdu (skaļumu) un frekvenci, kas nosaka skaņas augstumu, piemēram, nots La atbilst 440 skaņas viļņa svārstībām sekundē. Runa vai mūzika satur daudzu dažādu frekvenču viļņus vienlaicīgi – šo viļņu summu. Šī summa arī ir modulētais skaņu vilnis, ko mūsu auss un smadzenes uztver kā mūziku vai runu.
Jautājums:
Fotonam ir tikai elektriskais + magnētiskais vilnis, vai ir arī de Brojī varbūtības vilnis? Ja gaisma ir elektromagnētiskais vilnis, bet elektrons ir (grūtāk izskaidrojamais) varbūtības vilnis, tad vai fotoni ir būtiski citādāki nekā elektroni (un vēl kaut kādas citas daļiņas, kurām arī ir tādi viļņi), jo viņu viļņi ir dažāda veida? Vai arī de Brojī vilnis ir tas pats, kas elektromagnētiskais gaismas vilnis, tikai tāds kā vispārīgāks gadījums?
Pasniedzēja atbilde:
Šis ir ļoti interesants un grūti atbildams jautājums. Pilnai atbildei būtu nepieciešams izstāstīt vēl daudz ko papildus. Bet deklaratīvi – jā, fotonam piemīt arī de Brojī vilnis. Eksperimentos, kad varam nodrošināt, lai iekārtā ir tikai viens fotons, tad šī fotona de Brojī viļņa īpašības izpaužas pilnā apjomā. Piemēram, caur puscaurspīdīgu spoguli viens fotons iziet cauri, cits atstarojas. Ja gaisma ir intensīva, tad izpaužas gaismas viļņu īpašības, un puse viļņa iziet cauri puscaurspīdīgajam spogulim, bet puse atstarojas. Tomēr de Brojī vilnis nav identisks gaismas elektromagnētiskajam vilnim.
Jautājums:
Ar ko kauliņu analoģijā (praktiski) atšķiras situācija, ka kauliņam ir konkrēta krāsa, pirms plauksta atvērta, un ka tā kļūst konkrēta plaukstas atvēršanas brīdī? Man kā skatītājam nav saprotams, kāda ir atšķirība no mana viedokļa, kas īsti ir jāsaprot, kur ir problēma. Nevis nesaprotu, kā tas var būt, vai neticu, ka tas varbūt, bet nesaprotu, kāds ir tas neparastais apgalvojums, skaidrojums, kas būtu jāpieņem.
Pasniedzēja atbilde:
Spēļu kauliņa analoģija ir sekojoša. Klasiskajā pasaulē kauliņam ir noteikta krāsa, vēl pirms es atveru plaukstu. Atverot es uzzinu, kas bija, pastāvēja, eksistēja arī tad, kad plauksta bija aizvērta.
Turpretī kvantu fizika apgalvo un pierāda, ka pirms plaukstas atvēršanas “kvantu kauliņam” nepiemīt noteikta krāsa. Abas potenciālās iespējas – sarkans vai balts – tam piemīt vienlaicīgi. Tikai atverot plaukstu jeb, citiem vārdiem sakot, veicot eksperimentu, kauliņa krāsa pieņem vienu no divām iespējamajām vērtībām. Protams, tā ir tikai analoģija. Reāls eksperiments kvantu fizikā varētu tikt veikts, piemēram, ar elektronu. Mēs mērītu kādu tā īpašību, kurai varētu būt divas vērtības. Kamēr eksperiments nav izdarīts, elektronam abu šo īpašību potenciālās iespējas eksistē vienlaicīgi. Eksperimenta laikā viena no šīm īpašībām “materializējas”, bet otra vairs šim elektronam parādīties nevar. Ja Jūs esat kādreiz saskāries ar elektrona spina jēdzienu, kurš var būt vērsts “uz augšu” vai “uz leju”, tad konkrētībai par spina vērsumu var domāt kā par divām šīm potenciālajām iespējām, kuras abas eksistē pirms mērījuma.
Jautājums:
Mani nedaudz samulsināja, ka Jūs sakāt “reālā pasaule” un “kvantu pasaule”, it kā pretnostatot šos jēdzienus. Arī lasot dažu labu populārzinātnisko darbu par šo tēmu, rodas iespaids, ka tiešām tas ir kaut kas ārpus “mūsu” pasaules esošs, tāda kā Brīnumzeme. Kādēļ tā un vai patiesi ir šīs divas (vai vairāk) pasaules, kuras it kā eksistē atsevišķi nevis vienoti? Varbūt tas ir vairāk filozofisks nekā “fizisks” jautājums?
Pasniedzēja atbilde:
Paldies par trāpīgo piezīmi. Protams, Jums ir pilnīga taisnība. Eksistē tikai viena pasaule. Parādības, ar ko mēs sastopamies ikdienā, ir tikpat reālas, kā tās, ko mēs novērojam atomu līmenī. Vienīgi parādības, ko mēs redzam ikdienā, ir tieši novērojamas (dotas tiešajā pieredzē un sajūtās), bet par tām, kas notiek atomu līmenī, mēs uzzinām pastarpināti ar samērā sarežģītu mērījumu palīdzību. Varētu teikt vēl vairāk, diezgan daudzas lietas, kas “lielu lietu pasaulē” šķiet acīm redzamas, loģiskas un pašsaprotamas, atomu līmenī tādas vairs nav. Par dažām no tām, kā, piemēram, de Brojī viļņiem, to interferenci mēs runājam arī šajā kursā.
Interesanti ir soli pa solim izsekot, kā, pieaugot daļiņu izmēriem, kvantu specifiskās īpašības pamazām pārstāj izpausties un fizikālās parādības mēs sākam ieraudzīt aizvien saprotamākā un “lielu lietu pasaulē” pierastā veidā.
Jautājums:
YouTube man piespēlēja šādu video.
90 % no tā nesapratu un atlikušos 10 % drīzāk nojautu nekā sapratu, bet, vai Deivids Voless nestāsta par to, ka varbūtības viļņa kolapss mērījuma brīdī, kā arī ātruma un vietas vienlaicīga nezināšana (diemžēl video ieraksts apraujas brīdī, kad viņš pievēršas otram jautājumam) nemaz nav kvantu teorijas sastāvdaļa un teorijas problēmas/paradoksi, kas nodarbina fiziķus, bet filozofu radīti interpretācijas jautājumi, kurus viņi paši mēģina atrisināt?
Vai varbūt tas, ka tās ir interpretācijas problēmas, ir skaidrs, un es neesmu sapratis prezentācijas jēgu un attiecīgi – nepareizi uzdevis jautājumu.
Pasniedzēja atbilde:
Kvantu fizikā ir tāds bieži piesaukts teiciens, kuru pieraksta gan Verneram Heizenbergam, gan Ričardam Feinmanam – Shut up and calculate (Aizveries un rēķini/skaitļo). Tas zināmā mērā raksturo šo situāciju.
Kvantu mehānika ļauj parādības aprakstīt ar ļoti lielu precizitāti. Ja mēs domājam tikai par praktiskiem kvantu fizikas pielietojumiem, piemēram, konstruējot datorus, tad ar to pilnīgi pietiek. Par to, vai tas ir fiziķu vai filozofu uzdevums, – domāt, kā kvantu mehānikas matemātisko aparātu saprast (interpretēt) “lielpilsētas iedzīvotāju” valodā, var strīdēties. Bet ir daudz fiziķu, tai skaitā visi kvantu fizikas veidotāji, kam nepietika un nepietiek tikai ar rēķināšanu, neuzdodot jautājumus, – kā tas, ko paredz kvantu fizika, var būt un ko tas nozīmē. Tādēļ arī diskusijas par to, vai kvantu fiziku ir iespējams saprast, turpinās vēl joprojām.
Jautājums:
Vai līdzīgi kā ar gaismu, kam vienlaikus ir gan viļņa, gan daļiņu īpašības, tāpat ir arī ar citām parādībām, par kurām bija pierasts domāt kā par viļņiem? Vai elektromagnētiskajam vilnim, radio vilnim, rentgena staram piemīt daļiņu īpašības? Ja gaismas daļiņas izsit elektronus no cita objekta, uz ko ir spējīgas iepriekš minēto viļņu “daļiņas”?
Pasniedzēja atbilde:
Gan radioviļņi, gan gaismas viļņi, gan rentgena stari – tie visi ir elektromagnētiskie viļņi, tikai ar ļoti atšķirīgu viļņa garumu. No Jūsu pieminētajiem vislielākais viļņa garums ir radioviļņiem: tiem radioviļņiem, ko mēs izmantojam savos FM radioaparātos – daži metri –, bet vismazākais garums ir rentgena stariem – 0,0000000001 metrs. Visiem šiem viļņiem piemīt arī korpuskulārās īpašības. Piemēram, fizikā ir tāds klasisks eksperiments – Komptona izkliede. Tās būtība – rentgena kvants saduras ar elektronu, un tad katrs aizlido savā virzienā kā divas bumbiņas uz biljarda galda.
Jautājums:
Ir dzirdēti mīti, ka kvantu fizikas teorija kaut kā skaidro domu spēka iedarbību no attāluma ? Vai tas ir tikai mīts?
Pasniedzēja atbilde:
Ideja, ka kvantu fizika varētu pamatot telepātiju, domu pārraidīšanu un citas līdzīgas lietas, gan būs pilnībā no mītu pasaules. Ar fiziku tam nav nekādas saistības.
Jautājums:
Kā vērtējat Latvijas potenciālu kvantu fizikas attīstības kontekstā? Vai (tēlaini fantazējot) mums ir lielāks potenciāls saņemt Nobela prēmiju par: 1) jaunas teorijas/pieņēmuma/skatījuma radīšanu; vai 2) matemātiskiem eksperimentiem, kas pierāda kādu vēl nepierādītu teoriju?
Pasniedzēja atbilde:
Uz šo jautājumu atbildēt ir ļoti grūti. Būšu diplomātisks un teikšu, ka mēs visi fizikā gaidām jaunas un trakas idejas, kas varētu piešķirt jaunu impulsu pētījumiem par to, kā fizikālā pasaule ir uzbūvēta. Šādas idejas var rasties jebkur. Kādēļ gan ne Latvijā? Taču realitātē fizikā šobrīd dominē rupja spēka (brute force) metode – kam vairāk naudas un labākas iekārtas, tas iegūst precīzākus rezultātus un nereti arī Nobela prēmiju. Un te, runājot par naudu, Latvija nav īpaši labās pozīcijās. Un pat ne tādēļ, ka zinātni Latvijā finansē labi vai slikti, bet mēroga dēļ. Piemēram, divu vidēji lielu ASV vadošo universitāšu, kas atrodas Sanfrancisko līča pretējos kratos un ļoti tuvu viena otrai – Kalifornijas Universitāte Bērklijā (kur arī man ir bijusi iespēja strādāt) un Stenforda Universitāte – gada budžets, ja tos saskaita kopā, pārsniedz Latvijas valsts gada budžetu. Tad arī ir rezultāts. Pēdējos gados divi man Bērklijas kolēģi ir kļuvuši par Nobela prēmijas laureātiem fizikā.
Jautājums:
Noklausījos Jūsu stāstīto par kvantu sapinumu un to, kāpēc to nevar izmantot informācijas pārraidīšanā (proti, jo nav zināms un mēs nevaram izvēlēties tā sākuma stāvokli).
Bet, ja darām sekojoši: man un Jums ir 1000 savstarpēji sapītu kvantu. Tiklīdz es vienu detektēju, Jūs to uzreiz redzat pie sava kvanta, taču mēs esam iepriekš savstarpēji vienojušies, ka, ja es detektēšu nākošo pēc 1 sekundes, tas nozīmēs, kas esmu Jums pārraidījis skaitli 1, ja pēc 2 sekundēm, tad skaitli 0.
Tātad sākam – es detektēju vienu kvantu, pēc sekundes otru, tad pēc sekundes trešo, vēl pēc 2 sekundēm ceturto, tad pēc sekundes piekto. Esmu Jums noraidījis skaitli binārajā sistēmā 1101, kas decimālajā nozīmē 13.
Kāpēc šo sistēmu nevarētu izmantot, lai noraidītu informāciju ātrāk par gaismu?
Pasniedzēja atbilde:
Metode, kuru Jūs iesakāt, var darboties informācijas pārraidīšanai. Taču skaitlis 13 (1101) netiks pārraidīts ātrāk par gaismas ātrumu. Informācijas pārraidei netiks izmantots fakts, ka, vienu sapīto daļiņu nomērot, otras stāvoklis kolapsē tai pat momentā. Jūsu gadījumā (ja pareizi saprotu Jūsu ideju) informācija ir kodēta laika intervālos, kādos tiek noraidīti fotoni. Tad šiem dažādos laika momentos ģenerētajiem fotoniem ar gaismas ātrumu jāaizlido līdz adresātam, un tikai tad var nolasīt informāciju. Vai ne tā?
Jautājums:
Kādas ir Jūsu domas, par to, ka, veicot Alises un Boba eksperimentu, teorētiski pastāv divas iespējamās realitātes vienlaicīgi? Alisei, veicot mērījumu un noskaidrojot spina stāvokli, Bobs vēl nav paskatījies uz savu spinu, un viņam joprojām pastāv varbūtība, savukārt Alisei, kura jau zina spina virzienu, ir sava realitāte…
Pasniedzēja atbilde:
Šis ir ļoti interesants jautājums un tiek plaši diskutēts. Jūsu aprakstīto situāciju var vēl vairāk sarežģīt. Piemēram, Alise veic mērījumu. Bobs savu vēl nav veicis. Tātad sākotnēji Alise zina, ka Boba spins būs, teiksim, “uz augšu”, bet Bobs to vēl nezina. Viņam varbūtība spinam būt “uz augšu” vai “uz leju” joprojām ir 50:50. Tad Alise atnāk pie Boba un saka, ka viņas daļiņai spins bija “uz augšu”. Bet Bobs zina, ka Alisei ir tikai 50 % taisnība. Tātad Bobam, mērot savu elektronu, subjektīvā varbūtība spinam būt “uz leju” tagad ir 75 %, bet “uz augšu” 25 %. Šāda viļņu funkcijas interpretācija – kā eksperimentētāja subjektīvās zināšanas par sistēmu – tiek apspriesta. Tai ir savi piekritēji, bet to, kam šāda interpretācija nešķiet laba, ir ievērojami vairāk. Viens no argumentiem pret šo interpretāciju ir tāds, ka nav īsti saprotams, kā kvantu fizikas pamatvienādojumi, piemēram, Šrēdingera vienādojums, varētu aprakstīt nevis objektīvu realitāti, kā daba “darbojas”, bet gan katra indivīda subjektīvās zināšanas par dabu. Tā teikt – katram savs Šrēdingera vienādojums.
Jautājums:
Vai savu izmēru dēļ arī vīrusiem un baktērijām piemīt citas īpašības, salīdzinot ar daudzšūnu makroorganismiem (cilvēkam u.c.), tieši kvantu fizikas kontekstā?
Vai SARS-CoV-2 teorētiski varētu izmantot savu “viļņa dabu”, lai efektīvāk izplatītos?
Pats saprotu, ka diezin vai, jo pati mijiedarbība ar makroorganismu uzreiz izjauc kvantu fizikas likumsakarības un vīrusam “nofiksējas” tikai daļiņas īpašības, bet laboratorijā ir cita vide (tīra, sterila vide, kur, iespējams, ir tikai pats vīruss kaut kādā slēgtā sistēmā) – un tur pētāmais vīruss varētu “kā vilnis” pēkšņi izrauties, inficēt laborantu, un aiziet jūriņā!
Mūsdienu zinātnē ar vīrusiem manipulē kā vēl nekad – ar CRISPR-Cas9 (kas aizgūts no baktērijām); pakļauj dažādai fizikālai iedarbībai (starojumam) u.t.t. Ja dabā katram mugurkaulniekam ir ~ 20 “savi” specifiskie vīrusi un kopā ir ~ 50 000 mugurkaulnieku, – jau iegūstam 1 miljonu kandidātu, kuri var pārvarēt sugu barjeru.
Ja sākam manipulēt ar vīrusu genomiem “drošās laboratorijās”, tad kandidātu skaits pieaug ļoti strauji, un kāds no tiem var izrauties, tai skaitā, “pa tuneli”, kā tie protoni Saulē.
Pasniedzēja atbilde:
Ja atbildu pavisam īsi, tad novērtējumi rāda, ka vīrusi, kuru izmēri, ja nemaldos, ir apmēram 0,1 mikrometrs un baktērijas, kas varētu būt 10 reizes lielākas, ir lielākie objekti, kam vēl var novērot viļņu īpašības. Man gan nešķiet, ka to var kaut kā saistīt ar lielāku iespēju vīrusiem izplatīties sadzīviskā vidē – gaisā uz virsmām.
Kā mēs kursā runājām, jo lielāks objekts jo grūtāk to nosargāt no kvantu īpašību “pazaudēšanas”, mijiedarbojoties ar vidi. Sadzīviskā vidē tās izpausties nevar. Tad, kad kvantu īpašības tiek novērotas laboratorijā, tiek darīts viss, lai daļiņas būtu izolētas no vides. Ne tikai lai tās būtu vakuumā, bet lai arī starojums (piemēram, gaisma) tām netiktu klāt. Bet ideja pati par sevi ir interesanta. Ir vērts par to padomāt.
Jautājums:
Esmu bērnu ķirurgs un strādāju LU medicīnas fakultātē par pētnieku. Šobrīd paralēli praktiskajam darbam esmu pievērsies zarnu išēmijas pētniecībai, kuras izpēte ir sarežģīta un komplicēta. Esmu izstrādājis eksperimenta shēmu uz laboratorijas dzīvniekiem un iesniedzis PVD, lai to apstiprinātu.
Meklējot jaunus virzienus mezenteriālās išēmijas pētniecībā (situācija, kad dažādu iemeslu dēļ zarnu traktam tiek samazināta vai pilnībā pārtraukta asins padeve), studēju literatūru un plānoju pētīt, kā hipoksija ietekmē šūnas. Aktuāla liekas mitohondriju izpēte – tā ir šūnas spēkstacija, kurā notiek sarežģīti fizikāli un ķīmiski procesi, un to darbība ir cieši saistīta ar skābekļa padevi. Išēmijas rezultātā tā izmainās. Esmu izstudējis daudz literatūras un nonācis pie slēdziena, ka neviens no literatūras bāzēs man pieejamajiem pētījumiem nesniedz pilnīgas atbildes, lai savlaicīgi diagnosticētu saslimšanu un padarītu augstāku audu izturības līmeni pret hipoksiju.
Noklausoties Jūsu lekcijas vēlreiz guvu apstiprinājumu, – ir jāmeklē jauni virzieni. Varbūt uz šo problēmu varētu paskatīties no fizikas un kvantu fizikas puses. Mitohondrijos un arī šūnās vispār veidojas elektrisko potenciālu starpības, kā rezultātā arī šūnās notiek dažādi dzīvībai svarīgi ķīmiski procesi.
Varbūt var paskatīties, kas notiek ar elektronu plūsmu veselās un hipoktiskās šūnās?
Pasniedzēja atbilde:
Kas attiecas uz kvantu fizikas izmantošanu šūnu pētniecībā, tad tā ir daudz diskutēta tēma dažādos kontekstos, sākot no diskusijām par šūnu bioķīmiju un beidzot ar apziņas veidošanos smadzeņu darbības rezultātā.
Visbiežāk tiek secināts, ka šūna no kvantu fizikas viedokļa ir liels objekts un kvantu efektiem tajās izpausties nevajadzētu. Bet, protams, nav izslēdzams, ka ir kādas situācijas, kad kvantu efekti tomēr var tikt pamanīti un tie var iespaidot procesus. Tāpat jau kursā apskatītais melna ķermeņa starojums, kas praktiski ir liela, līdz sarkankvēlei sakarsēta priekšmeta starojums, pirmajā brīdī nešķiet saistāms ar kvantu fiziku, bet tā izpēte tomēr radīja pirmos priekšstatus par kvantu fiziku.
Droši vien kvantu fizika medicīnā vēl gaida savu Maksu Planku, lai kļūtu par vispāratzītu.
Jautājums:
Vai kvantu teorija korelē arī ar citām, ne tik “precīzām” zinātnēm, piem. psiholoģiju (ir lasīts par kvantu psiholoģiju) un filozofiju? Cik zinu, arī Dalailama aktīvi diskutē ar zinātniekiem par kvantu principiem.
Pasniedzēja atbilde:
Šis ir ļoti plašs jautājums. Fizika ir pirmā dabas zinātņu hierarhijā, skaidrojot materiālo pasauli. Rindas sākuma gals varētu būt šāds: fizika -> ķīmija -> bioloģija -> …
Zinātniskā nozīmē fizikas, tai skaitā kvantu fizikas, saistība ar psiholoģiju ir ļoti tāla un pastarpināta. Vismaz tādā ziņā, vai kvantu fizika var palīdzēt skaidrot cilvēka uzvedību. Tās saistība ar filozofiju ir tiešāka. Par cik fizika runā par materiālās pasaules pašiem fundamentālākajiem jautājumiem, tad, meklējot atbildes uz tādiem jautājumiem kā kāda ir novērotāja loma eksperimentos, kāda ir kvantu fizikas elementu (piemēram, de Brojī viļņa) saistību ar realitāti, cik tālu pasaule ir izzināma un citi, gan profesionālu fiziķu, gan filozofu vidē tiek diskutēts ļoti aktīvi.
Tibetas budistu līderis Dalailama vienmēr ir aktīvi veicinājis dialogu starp rietumu zinātni un budisma mācību. Mūsu kursā pieminētais Antons Ceilingers un citi fiziķi aktīvi ir iesaistīti šajā dialogā. Domāju, šo diskusiju saturu vislabāk varētu raksturot kā mūsdienu fizikas ideju analīzi Tibetas budisma kontekstā.
Ar diskusijas detaļām var iepazīties, piemēram, šajā ļoti interesantajā grāmatā: The New Physics and Cosmology Dialogues with the Dalai Lama
Jautājums:
I. Kants uzskatīja, ka mūsu empīriskā pieredze mums dod informāciju par parādībām (fenomeniem), taču lietu/objektu/dzīvības esences (nomenu) pieredze cilvēka apziņā neparādās. Platons uzskatīja, ka objekti ir nemainīgi un eksistē ārpus laika un telpas, taču tiek “pieredzēti” laiktelpas vidē. Vai, Jūsuprāt, varētu vilkt paralēles starp kvantu fiziku un Kanta vai Platona filozofiju? (Piemēram pēc hipotēzes – ja daļiņa pieņem savu īpašību mērījumā brīdī, kad tā parādās cilvēka apziņā, tad lietu/objektu esence (piemēram, abu iespējamo īpašību vienlaicīga eksistence) cilvēka prātam nav saprotama/tverama?
Pasniedzēja atbilde:
Šis ir ļoti interesants jautājum, un, kā jau Jūs pati teicāt, tas attiecas vairāk uz filozofiju. Savukārt filozofijā vismaz lielākā daļa (taču ne visi) filozofu tā uzskata, ka nav vienīgo pareizo teoriju un vienīgo nešaubīgi pareizo atbilžu. Kvantu fizikā tas izpaužas teorijas dažādajās interpretācijās. Ar kvantu fizikas interpretācijām ir tieši tāpat kā ar filozofiju. Nav vienīgās pareizās interpretācijas. Diskusijas par to, vai kvantu mehānikas viļņu funkcija ir objektīvi eksistējoša vai arī tikai prāta konstrukcija, vai arī tā ir kā Platona ideālā forma un ideja, turpinās un diez vai kādreiz beigsies.
Jautājums:
Vai kvantu fiziku varētu uzskatīt par cilvēka prāta mēģinājumu analizēt dabu ārpus empīriskās pieredzes rāmja (ņemot vērā to, ka tā ir kontraintuitīva)?
Pasniedzēja atbilde:
Jā, lai arī kvantu fizikas priekšstatu atbilstība realitātei tiek pārbaudīta eksperimentāli (empīriski), tomēr domāju, ka būs pareizi domāt par kvantu fiziku un cilvēkiem, kas nodarbojas ar tās fundamentālajiem jautājumiem, kā tādiem, kas mēģina izpratnē par fizikālo pasauli iziet ārpus empīriskās pieredzes rāmjiem.
Jautājums:
Vai Jūs varētu ieteikt kādus resursus/autorus/avotus, kur varētu vairāk uzzināt par saikni starp fiziku, īpaši kvantu fiziku, un filozofiju, apziņu vai epistemoloģiju?
Pasniedzēja atbilde:
Saprotot, ka Jums ir zināma pieredze ar filozofisku tekstu studēšanu, varētu ieteikti trīs autorus.
1) Université Paris-Sud XI emeritētais teorētiskās fizikas profesors Roland Omnes. Viņam ir vairākas grāmatas par Jūs interesējošo tēmu. Es iesāktu ar “Converging Realities: Toward a Common Philosophy of Physics and Mathematics”.
2) Holandiešu izcelsmes filozofijas profesors Bas van Fraassen. Arī viņam par šo tēmu ir vairākas grāmatas. Viena, kas mani ir uzrunājusi, ir “Quantum Mechanics: An Empiricist View”.
3) Mana nu jau miruša paziņas un izcila somu fiziķa teorētiķa Stig Stenholm ļoti personiska un ļoti interesanta grāmata “The Quest for Reality: Bohr and Wittgenstein – two complementary views”.
Jautājums:
Vai, kamēr mēs neredzam/nenomērām konkrēto fizikālo lielumu, mēs nevaram izdarīt secinājumus tikai par tā īpašībām vai arī eksistenci kā tādu? Pieņemot, ka kauliņš ir vienlaicīgi sarkans un balts, vai mēs varam pieņemt arī, ka tas neeksistē vispār?
Pasniedzēja atbilde:
Nē, domāju, ka tas būt pārāk strikts apgalvojums. Piemēram, elektrons. Un te es kļūšu nedaudz “tehnisks”. Mēs normējam elektrona viļņu funkcijas moduļa kvadrātu – varbūtību, ka elektrons kaut kur atrodas uz 1. Tas ir ekvivalents apgalvojumam, ka elektrons eksistē. Taču mēs apgalvojam, ka fundamentāli nevaram zināt, kur tas atrodas, līdz neesam izdarījuši mērījumu, un tādējādi panākuši to, ka elektrons lokalizējas noteiktā vietā.
Jautājums:
Kādas var būt šīs īpašības, kuras var noteikt tikai mērījuma brīdi? Jūs minējāt elektrona spinu, bet vai arī citas elektrona īpašības var eksistēt vienlaicīgi pirms mērījuma brīža un būt pretēji saistītas ar citu elektronu/daļiņu?
Pasniedzēja atbilde:
Jā, var. Piemēram, elektrona atrašanās vieta telpā var tikt lokalizēta tikai mērījuma brīdī. Tāpat tas var notikt ar elektrona kustības ātrumu. Arī sapīt var dažādas daļiņu īpašības ne tikai spina orientāciju telpā. Piemēram, mēs ar manu doktorantu Staņislavu Filatovu nesen žurnālā Fondations of Physics nopublicējām rakstu On Interchangeability of Probe–Object Roles in Quantum–Quantum Interaction-Free Measurement, Foundations of Physics volume 49, pages 283–297(2019) par to, ka var tikt sapītas pat tik atšķirīgas lietas kā elektrona atrašanās vieta un mērinstrumenta rādījums.
Jautājums:
Jūsu piemērā par Alisi un Bobu mēs pieņemam, ka Alise izdara mērījumu, un tajā brīdī viņas elektrons pieņem spina pozīciju uz leju, bet Boba uz augšu. Kas notiek, ja Bobs izdara mērījumu? Vai viņš ierauga, ka elektrona spins ir vēsts uz augšu, vai arī elektrona spina virziens atkal nav noteikts līdz brīdim, kad Bobs izdarīs mērījumu?
Pasniedzēja atbilde:
Nezinu vai pareizi sapratu jautājumu. Brīdī, kad Alise nomēra vienu no daivām sapītajām daļiņām un viņas mērījuma rezultātā viņa ierauga, ka elektrona spins ir “uz leju”, pie Boba nonākošā elektrona spins tai pat brīdī pieņem vērtību “uz augšu”. Ja viņš mērīs elektrona spinu, tad viņš ar varbūtību 1 iegūs šādu rezultātu. Ja viņš zina Alises mērījuma rezultātu, tad Bobs var paredzēt sava mērījuma rezultātu. Taču, ja Bobs nezina Alises mērījuma rezultātu, tad Alises mērījums neizmaina viņa subjektīvo priekšstatu par mērījuma iznākumu. Viņam joprojām abi mērījuma iznākumi šķiet vienlīdz varbūtīgi, pat ja viņš zina, ka Alise mērījumu ir izdarījusi, bet viņš nezina tā rezultātu.
Te, starp citu, parādās interesantas pārdomu iespējas. Piemēram, Alise Bobam pasaka sava mērījuma rezultātu, bet Bobs zina,a ka Alise runā patiesību tikai 2/3 gadījumu. Vai Boba mērījumā sapītā stāvokļa viļņu funkcija kolapsēja tikai par 2/3?
Jautājums:
Stāsts par Albertu Einšteinu un to, ka viņa teorijas pieņēma jaunā paaudze. Vai Jūs piekristu tam, ka deduktīva un tikai uz iepriekšējo pieredzi un zināšanām balstīta domāšana traucē radīšanas un atklāšanas procesam? Kāda ir iztēles un zināšanu loma fizikā?
Pasniedzēja atbilde:
Apgalvošu, ka viena bez otras nevar eksistēt. Zinātne un fizika kopumā attīstās secīgi. Kā teica Ņūtons – es redzēju tālāk par saviem priekšgājējiem tikai tādēļ, ka man bija iespēja pakāpties uz viņu pleciem. Nākošais solis ir iespējams tikai tad, kad iepriekšējais ir izdarīts. Nākošās zināšanas balstās uz iepriekšējām. Bet tad seko lielais BET. Nākošais solis neizriet mehāniski un nav loģiski formāli izsecināms no iepriekšējā. Fizikā tāpat kā mākslā nākošais solis ir radīšanas akts, kas bez iztēles nav iespējams.
Jautājums:
Vai pareizi sapratu, ka šobrīd šķiet, ka kvantu īpašības nepiemīt objektiem, kuri atrodas tiešā saistībā ar apkārtējo vidi?
Pasniedzēja atbilde:
Daļēji tā var teikt. Šajā jomā vistālāk ir aizdomājies manis lekciju kursā pieminētais Voiteks Zureks, polis, kurš strādā Los Alamosas nacionālajā laboratorijā un Maincas Gūtenberga Universitātē Vācijā.
Varu piedāvāt viņa populārzinātnisku rakstu (publicēts ASV Fizikas biedrības žurnālā), kas uzrakstīts profesionāliem fiziķiem, kas nestrādā kvantu fizikas jomā: Wojciech Zurek, QUANTUM DARWINISM, CLASSICAL REALITY, and the randomness. Physics Today, vol. 67, pp. 44-50 (2014)
Jautājums:
Vai piekrītat apgalvojumam, ka, ja mēs nepaskatāmies uz vīrusu, tad tas neveic nekādas darbības un paliek pieļaujamā eksistencē un bez rezultāta? Bet tiklīdz mēs apzināmies, ar apziņu pieņemam tā darbības rezultātu un uz to paskatāmies – tajā brīdī vīruss iedarbojas uz organismu vai apkārtējo vidi; atkarībā no tā, kur mēs uz to skatāmies.
Pasniedzēja atbilde:
Filozofiski, iespējams, par daudzām lietām, arī šo vīrusu, mēs varam šādi domāt. Protams, ka mūsu apziņa un optimisms, ar kādu mēs dzīvojam, ietekmē to, kā mēs mijiedarbojamies ar apkārtējo pasauli. Tie ietekmē arī mūsu imunitāti.
Taču man šķiet, ka, domājot par šīm lietām, labi jāapzinās, kur beidzas fizika un kur sākas metafizika. Abi šie skatu punkti ir svarīgi un mūsu pieredzi bagātinoši. Tomēr, sekojot Bora ieteikumam par papildinošām vai komplementārām pieejām, uz fiziku un metafiziku šādi arī vajadzētu skatīties.
Tā tas izskatās no mana skatu punkta.
Jautājums:
Manā uztverē de Brojī viļņa esamība un tā kolapss atgādina to, kā tiek veidotas datorspēlēs. Proti, datorspēles virtuālā vide (koki, mājas u.tml.) tiek vizuāli attēlota jeb renderēta tikai tad, kad spēles varonis tai tuvojas. Tas tiek darīts resursu taupīšanas nolūkos – tā kā renderēšana patērē skaitļošanas resursus, nebūtu lietderīgi renderēt vidi, kuru spēlētājs nemaz neredz vai nevar citādi ar to mijiedarboties.
Līdzīgu iespaidu atstāj de Brojī viļņi – ja pareizi saprotu, objekts eksistē kā varbūtība (de Brojī vilnis) un konkretizējas (kolapsē) tikai tad, kad tas nonāk mijiedarbībā ar vidi. Varētu domāt, ka kamēr mijiedarbība nenotiek, objekts atrodas “brīvā resursa” stāvoklī.
Jautājumi: 1. Kāds ir Jūsu viedoklis, vai ir pieļaujams uz to tā skatīties? 2. Ja tā skatīties drīkst, vai ir kādas versijas, kas varētu būt tas “resurss” kurš tiktu ietaupīts šādas Visuma uzbūves rezultātā?
Pasniedzēja atbilde:
Man patīk šī analoģija ar datorspēļu virtuālo vidi, un ideja par resursu taupīšanu. Neesmu sastapies ar šādu interpretāciju ne akadēmiskajā kvantu fizikā, ne arī filozofu tekstos, kas domā par kvantu fizikas konceptuālajiem pamatiem (ir arī tāds filozofijas novirziens). Tā kā atbildēt, kāds resurss tiek šādā veidā taupīts nevaru, bet Jūs jautājums rosina mani par to kādā brīvā brīdī padomāt. Var būt Jums pašam ir kāda ideja šajā virzienā?
Jautātāja atbilde:
Pēdējās dienas par šo domāju, un jāsaka, ka man ir tikai zināšanās nebalstīti minējumi, kas varētu būt tas ietaupītais “resurss”.
Visvienkāršākā atbilde būtu, pieņemot, ka Visums ir datorsimulācija. Tādā gadījumā ietaupītais resurss būtu simuālciju uzturošā datora skaitļošanas resurss. Šis resurss gan atrastos ārpus pašas simulācijas (mūsu Visuma), tādēļ nebūtu mums nekādā veidā pieejams. Visdrīzāk, mēs pat teorētiski nevarētu pārliecināties par tā eksistenci (ja nu vienīgi novērojot kādas kļūdas simulācijā, taču kļūdas būtu tik ārkārtīgi sīkas, ka ar pašreizējiem instrumentiem mēs tās nevarētu konstatēt).
Otrs variants ir tikai minējums no manas puses, kas radies, skatoties populārzinātniskus video par entropiju un t. sk. Maksvela dēmonu. Ja pareizi saprotu, tad entropiju var uzlūkot kā informācijas daudzumu, kas vajadzīgs, lai aprakstītu objektu stāvokli (t. sk., atrašanās vietu). Varbūt te ir kaut kas līdzīgs – varbūt daļiņa de Brojī viļņa stāvoklī “prasa” mazāku informācijas daudzumu nekā jau konkretizētais daļiņas stāvoklis pēc viļņa funkcijas kolapsa. Ja tā, tad ietaupītais resurss būtu informācija, un uz tā rēķina entropijas pieaugums Visumā noritētu lēnāk. Man gan nav iemesla domāt, ka tā patiešām ir (un arī nezinu, vai “informācija” un “entropija” vispār ir fizikāli jēdzieni vai varbūt tikai abstrakcijas), un meklējumi tīmeklī uzrāda dažādas atbildes – gan ka ideālā sistēmā pirms un pēc kolapsa entropija nemainās vispār, gan arī ka mainās. Man nav atbilstošu zināšanu, lai varētu šīs atbildes interpretēt, turklāt entropijas jēdzieni arī ir dažādi – termodinamiskā entropija, fon Neimana entropija u.tml.
Jautājums:
Viens no lauciņiem, par kuriem ļoti interesējos un kuru vēlētos pētīt, ir bioētika un jauno tehnoloģiju ietekme uz sabiedrību. Vai Jūsuprāt kvantu fizikas pētniecība un attīstība varētu radīt ētikas dilemmas tuvākajā nākotnē?
Pasniedzēja atbilde:
Nezinu, bet man nešķiet, ka kvantu fizika un kvantu tehnoloģijas, kas jau sen ir mūsu dzīvē, bet kuru loma šobrīd ievērojami pieaug, var radīt lielāku (vai arī mazāku) ētisku dilemmu nekā citas mūsdienu tehnoloģijas. Tehnoloģijām nonākot sabiedrībā, noteiktas dilemmas par to lietojumiem vienmēr ir eksistējušas un turpinās eksistēt.
Jautājums:
Vai kvantu fizikai ir kas sakāms par tādu fenomenu kā intuīcija?
Pasniedzēja atbilde:
Pašu vārdu vai terminu “intuīcija” dažādos kontekstos un dažādi cilvēki saprot samērā atšķirīgi. Mūsu neklātienes sarunas kontekstā es izmantošu skaidrojumu, ka intuīcija ir neapzināta struktūras atpazīšana un spēja lietas izprast intuitīvi, neizmantojot racionālu argumentu un pierādījumu virkni. Saprotu, ka šis var šķist šaurs intuīcijas skaidrojums, bet vismaz iesākumā to ievērosim. Šāda intuīcija nav iedzimta, bet gan to var attīstīt dzīves laikā, uzkrājot gan cilvēcisko, gan arī profesionālo pieredzi, mācoties.
Šādai intuīcijai zinātnē kopumā un kvantu fizikā it īpaši, neapšaubāmi, ir bijusi un ir liela loma. Piemēru ir daudz. Gan Augusta Kekulē sapnī ieraudzītais risinājums problēmai, kā seši oglekļa atomi organiskās vielās var veidot benzola gredzenu, gan arī Dmitrija Mendeļejeva “nosapņotā” ķīmisko elementu periodiskā sistēma. Abos šajos gadījumos struktūras, kas intuitīvi jau bija šo atklājumu autoru saprastas, brīdī, kad prāts bija atbrīvots no zemapziņas, nonāca apziņā.
Arī kursā mēs runājām par to, ka patiešām jauni atklājumi zinātnē nav iespējami, neizejot ārpus tajā brīdī pieņemtajiem priekšstatiem; arī bez iztēles un intuīcijas tas nav iespējams. Tātad mūsu priekšstatus par pasauli mainoša zinātne bez intuīcijas nav iespējama.
Vai kvantu fizika spēj izskaidrot atomu līmenī, kas notiek cilvēka apziņā, gan vienkārši domājot, gan intuitīvas atklāsmes brīdī? Te nu jāsaka, ka šobrīd pavisam noteikti ne; kvantu fizika un dabaszinātnes kopumā to nespēj. Vai kādreiz būs iespējams ar dabas zinātnes palīdzību izskaidrot apziņu? Gribētos jau cerēt, ka būs, bet liela optimisma, ka tas izdosies, man diemžēl nav.
Jautājums:
Kāds izskatās Visums bez novērotāja?
Pasniedzēja atbilde:
Šis ir skaists jautājums, uz kuru e-pasta formātā atbildēt ir grūti vai pat neiespējami. Man jautājums uzreiz atsauc atmiņā kādu zenbudistu koānu (mīklu) – vai mežā krītošs koks rada troksni, ja nav neviena, kas to varētu dzirdēt? Bet, ja par fiziku, tad šis ir jautājums par kvantu fizikas dažādajām interpretācijām. Vai mijiedarbība ar vidi pati piespiež realizēties kādam no kvantu fizikas paredzētajiem notikumiem ar dažādajām varbūtībām? Tas ir diskusijas viens galējs skatpunkts. Otrs – vai arī novērotāja apziņas klātesamība ir nepieciešams faktors kvantu fizikas notikumam, lai tas realizētos? Un, protams, visi varianti, kas ir starp šiem diviem poliem.
Jautājums:
Kursa laikā, ja nemaldos, nepieminējāt Stīgu teoriju. Zinu, ka tā saņēmusi gana daudz kritikas, tādēļ jautājums – vai Jūs ieteiktu papētīt arī šo teoriju vai tā būtu laika izšķiešana?
Pasniedzēja atbilde:
Stīgu teorija ir nopietns un profesionāls mēģinājums cita starpā apvienot kvantu fiziku un vispārīgo relativitāti (tai skaitā gravitāciju). Stīgu teorija šobrīd ir matemātisks modelis, ko tehniski (daļiņu paātrinātājos nepietiek un vēl ilgi nepietiks enerģijas) nav iespējams pārbaudīt eksperimentāli. Šī situācija ir novedusi pie metodoloģiskas diskusija fiziķu un fizikas filozofu vidē. Mēs uzskatām, ka galvenais kritērijs, vai teorija ir pieņemama vai nav, ir tās atbilstība eksperimentam – eksperimentā pārbaudām teorijas paredzējumus. Taču, ja visnotaļ matemātiski elegantās stīgu teorijas paredzējumus eksperimentā pārbaudīt nav iespējams, varbūt ir iespējams domāt par pieejas maiņu, saka daži fiziķi un daži filozofi. Varbūt pietiek ar to, ka teorija ļauj vienkārši skaidrot zināmos faktus un matemātiski ir skaista/eleganta?
Jautājums:
Kursa laikā minējāt, ka trūkst cilvēku, kuri palīdz dažādos eksperimentos un ikdienas darbos laboratorijās. Kādas iespējas ir cilvēkiem bez akadēmiskās izglītības fizikā pabūt šajā vidē? Piedalīties semināros, paēnot profesorus, padiskutēt vai jebkādā citā veidā doties kvantu mehānikas odisejā? Varbūt ir kādas lekcijas klātienē? Un kur to varētu atrast?
Pasniedzēja atbilde:
Kā jau Jūs nojaušat, ar lekcijām klātienē šobrīd ir, kā ir. Bet vismaz daļa fiziķu gan Latvijā, gan citur (tai skaitā arī es) ir atsaucīgi aicinājumiem runāt gan klātienē, gan tiešsaistē, bet reālā laikā ar iespēju uzdot jautājumus un sagaidīt uz tiem atbildes, ja tiekam aicināti. Un aicināti tiekam gan dažādu kompāniju komandas saliedēšanas pasākumos, gan vienkārši dažādos sarunu formātos.
Jautājums:
Vai kvantu mehānikas efekti var izpausties mūsu makro pasaulē? Man nāk prātā divi – supravadāmība un supraplūstamība. Vai ir vēl kādi efekti? Vai arī, iespējams, es nepareizi saprotu šo saistību?
Pasniedzēja atbilde:
Visbiežāk kvantu efekti, pieaugot pētāmā objekta izmēriem (atomu skaitam, kas tos veido), pakāpeniski pārstāj būt novērojami. Iemesls tam ir mijiedarbība ar apkārtējo vidi. Lielus objektus no tās noizolēt ir grūti. Drusku šim jautājumam pieskāros 3. lekcijā, kad runāju par Šrēdingera kaķa paradoksu un Voiteku Zureku.
Taču, kā Jūs jau pieminējāt, ir situācijas, kad arī makro pasaulē kvantu efekti joprojām vēl ir novērojami. Spilgtākais piemērs ir sakarsēta ķermeņa (absolūti melna ķermeņa) starojums. Šī starojuma ikdienā novērojamo spektru nav iespējams izskaidrot bez kvantu fizikas palīdzības. Par to runājām pirmajā lekcijā pieminot “ultravioleto katastrofu”.
Jūsu pieminētie supravadāmība un supraplūstamība ir vēl divi labi piemēri kvantu efektu izpausmei makro pasaulē. Var būt ir vērts pieminēt vēl vienu efektu SQUID (superconducting quantum interference device). To latviski varētu tulkot kā supravadoša kvantu interferences iekārta. Šo pieminēju tādēļ, ka SQUID iekārtā veidojas kvantu superpozīcija no pretējos virzienos plūstošām makroskopiskām strāvām. Iespējams, ka nav daudz citu piemēru, kad makro pasaulē izpaužas kvantu interferences efekti.
Jautājums:
Vai tas, kāda ir (sarkana vai balta) daļiņa brīdī, kad uz to skatās, nav atkarīgs no tā, kādā viļņa vietā tā tai brīdī atrodas (augšā, pa vidu, lejā). Tad būtu skaidrs, kāpēc daļiņa visu laiku nesaglabā vienādas savas īpašības.
Pasniedzēja atbilde:
Tā tomēr nav. Visvienkāršāk būtu to uzzīmēt, bet mēģināšu izstāstīt vārdiem. Iedomāsimies, ka mēs esam nelielā laivā un garām ir pabraucis kuģis. No kuģa nāk liels vilnis, un mūsu laiviņu kādu brīdi spēcīgi mētā gan uz augšu, gan uz leju. Tad kuģa radītais vilnis ir aizgājis, un ūdens virsma pamazām nomierinās. Laiviņu vairs nemētā. Ja laiviņa būt novērotājs un kuģa radītais vilnis būtu de Brojī ar varbūtību saistītais vilnis, tad būtu jādomā sekojoši: varbūtību nosaka viļņa amplitūda. Ja svārstības ir ar lielu “atvēzienu” – ceļ augstu, bet arī nolaiž zemu – tad varbūtības ir lielas. Nav svarīgi, vai mēs noteiktā brīdī esam viļņa augstākajā punktā, pa vidu, vai zemākajā punktā. Svarīgs ir un varbūtību nosaka atvēziens – viļņa amplitūda. Kad svārstību amplitūda mainās, vilnis aiziet, tad mainās varbūtība, tā samazinās.
Jautājums:
Kad elektrons lido uz spraugām, tam ir iespēja izlidot caur vienu vai otru spraugu, bet beigās tas reāli izlido caur vienu, un spraugā notiek mijiedarbība starp elektronu un pašu spraugu. Veidojas sava de Brojī viļņu funkcija, un elektrons ar noteiktu varbūtību izkliedējas uz vienu vai otru pusi. Līdzīgi kā elektrodinamikā, kad vilnis krīt uz spraugas. Tad spraugu var uzskatīt kā jaunu viļņu avotu (tuvināti kā punktveida starotāju). Vai tas tā ir pareizi?
Pasniedzēja atbilde:
Es notiekošo šajā eksperimentā formulētu drusku citādi. Atslēgas vārdi būtu – daļiņas/viļņa duālisms. Zinu, ka mūsu intuīcija iebilst pret domu, ka kaut kas var būt vienlaicīgi gan daļiņa, gan arī vilnis. Taču tāda ir kvantu fizika. Tā māca paplašināt mūsu intuīciju. Domāt ārpus pierastajiem rāmjiem.
Tātad, ja mēs uz ekrāna novērojam interferences ainu, tad nebūs pareizi domāt, ka elektrons izlidoja caur vienu no divām spraugām. Ja tā būtu, interferences aina uz ekrāna neveidotos. Elektrons šajā gadījumā izpaužas kā vilnis un tas izplatās caur abām spraugām vienlaicīgi. Ja mēs turpinām apgalvot, ka elektrons tomēr izlido caur vienu no divām spraugām, mēs neesam noticējuši daļiņas/viļņa duālisma iespējamībai. Zinu, ka tas izklausās traki un neiespējami, ka elektrons nav izlidojis tikai caur vienu no divām spraugām, bet tomēr ir jāpieņem, ka fiziķi ir izpētījuši, ka tā notiek.
Tālākā doma un jautājums par analoģiju ar elektromagnētisko vilni ir pareiza. Jā, de Brojī vilnis nonākot pie ekrāna ar divām spraugām, tiek bloķēts visur, izņemot divas vietās, kur ekrānā ir atveres. Tad šīs atveres (spraugas) var uzskatīt par diviem jauniem (tos sauc arī par sekundārajiem) viļņu avotiem, kas ir sinhronizēti fāzē (svārstās sinhroni), jo ir cēlušies no viena un tā paša de Brojī viļņa. Tad šo sekundāro avotu viļņi nonāk uz ekrāna un uz tā veido interferences ainu. Gaismas gadījumā tās ir gaišas un tumšas joslas. De Brojī viļņa gadījumā tās ir joslas, kur ar lielu varbūtību nonāk elektrons, un joslas, kur varbūtība elektronam nonākt ir vienāda ar nulli.
Jautātāja atbilde:
Tad iznāk, ka elektrons pie spraugām it ka “pārvēršas” par vilni. Bet laikam jau ne? Spraugas ir tikai objekts, kā mēs gribam uz elektronu skatīties. Vai var spraugas uzskatīt par sava veida enerģētisko barjeru, kur darbojas nenoteiktības princips, līdzīgi, kā tas notiek tuneļa efektā?
Pasniedzēja atbilde:
Nē, elektrons no sākta gala ir vilnis. Tāds paliek līdz brīdim, kad tiek nomērīta tā atrašanās vieta un tā viļņa funkcija kolapsē.
Spraugas ir tikai un vienīgi šķērslis šā viļņa ceļā. Ja mēs apskatām vienu spraugu atsevišķi, tad nenoteiktības sakarībām, elektronam caur to ejot, ir ļoti būtiska loma. Mēs lokalizējam elektrona atrašanās vietu tik labi vai slikti, cik šaura vai plata ir sprauga. Tas nozīmē, ka mēs tai pat brīdī ienesam nenoteiktību elektrona impulsā saskaņā ar nenoteiktības sakarībām Delta x. Delta p > h/4 pi.
Tuneļefektam gan šeit nekādas lomas nav. Potenciāla barjera, ko elektrons klasiskajā fizikā nevarētu pārvarēt, bet kvantu tuneļefekts to padarītu par iespējamu, šeit neveidojas.
Jautājums:
Tā kā esmu botānikas skolotāja, fotoefekts man uzreiz asociējas ar fotosintēzi, kur gaismas stars iedarbojas uz hlorofilu augu zaļajās daļās. Tālāk tas ietekmē ūdens molekulu, kas sadalās, kā rezultātā no ūdens tiek atdalīts skābeklis, kas caur lapu atvārsnītēm nonāk atmosfērā (botānika). Tātad, kvantu fizika daļēji ir izmantojama citās nozarēs, skaidrojot procesus?
Pasniedzēja atbilde:
Jā, protams. Domāju, ne bez pamata fiziķiem patīk domāt, ka fizika ir daudzu citu zinātnes nozaru pamatā. No atomiem, ko pēta fizika, veidojas gan vienkāršas, gan arī ļoti sarežģītas organiskas molekulas. Tās savukārt ir dzīvās dabas pamatā. Saprotot procesus atomos, var sākt šķetināt ķēdīti un virzīties uz daudz sarežģītākām lietām ķīmijā un bioloģijā.
Jautājums:
No krāsu mācības un botānikas viedokļa – kāpēc mēs augu lapas redzam zaļas? Tāpēc ka gaismas staram nākot uz auga lapu, tiek atstarots zaļais gaismas spektrs, un to mūsu acis redz – fiksē. Tātad tajā brīdī notiek mērījums, bet tas var notikt tikai gaismā. Tumsā mēs augiem un priekšmetiem krāsas neredzam. Vai kvantu fizika nodarbojas arī ar šādiem pētījumiem? Vai ar to nodarbojas citas fizikas nozares?
Pasniedzēja atbilde:
Pavisam noteikti gaismas mijiedarbība ar vielu ir viens no jautājumiem, ko kvantu fizika pēta ļoti daudz un ļoti aktīvi. Varu vēl piebilst – ja vēl pieliekam klāt magnētisko lauku (atomu mijiedarbība ar gaismu magnētiskajā laukā), tad tā ir manas profesionālās darbības fizikā pamattēma.
Jautājums:
Man ir jautājums par eksperimentu ar fotonu un interferometru. Man tas bija īsts prāta un iztēles mežģis. Vienīgais, kā man izdevās tikt pie daudzmaz loģiska skaidrojuma, kad sāku domāt viļņu funkciju kategorijā. Vai tā to varētu skaidrot? Ka fotona viļņu funkcija izmainās, fotonam ielidojot interferometra sistēmā. Tā it kā sadalās (vai izstiepjas) divos virzienos pēc pirmā puscaurspīdīgā spoguļa. Un beigās atkal savienojas.
Ja tādu līdzīgu eksperimentu varētu veikt ar elektronu (vismaz domās), vai rezultāts būtu līdzīgs?
Pasniedzēja atbilde:
Jūs esat pilnīgi precīzi sapratis to, kā kvantu fizikā tiek saprasts un analizēts interferences eksperiments. Fotona viļņu funkcija, kura kā jebkurš cits vilnis uz puscaurspīdīgajiem spoguļiem var tikt sadalīta daļās, ir šīs analīzes pamatā. Man te nav daudz, ko piebilst.
Arī citām daļiņām – elektroniem, atomiem vai molekulām – var veikt un tiek veikti līdzīgi eksperimenti. Tad analīze ir līdzīga, un tās pamatā ir attiecīgās daļiņas viļņu funkcija.