Quod licet Iovi, non licet bovi. Ինչպես քվանտային մեխանիկան անհնարինը դարձրեց հնարավոր
Նյութի վերնագրի առաջին մասը լատիներեն թևավոր խոսք է, ինչը կարելի է թարգմանել հետևյալ կերպ. «այն, ինչ թույլատրված է Յուպիտերին, թույլատրված չէ ցլին»։ Արտահայտության իմաստն այն է, որ եթե ինչ-որ բան թույլատրված է որևէ մարդու կամ մարդկանց խմբի, պարտադիր չէ, որ թույլատրված լինի մյուսներին։
Զարմանալի է, սակայն այս նույն արտահայտությունը կիրառելի է նաև ֆիզիկայում։ Այն, ինչ բացարձակապես արգելված է դասական, Նյուտոնյան ֆիզիկայի համար, թույլատրված է քվանտային մեխանիկայում։ Այն, ինչ գիտնականները դարերով համարում էին անհնար դասական, ինտուիտիվ մեխանիկայում, հնարավոր դարձավ նոր գիտական պարադիգմում։ Մեր առօրյա ինտուիցիան հղկված է հենց դասական ֆիզիկայի արտահայտումների մեջ, գոյատևելու համար մեզ բավարար է իմանալ աշխարհի միայն այն կոպիտ, ոչ ճշգրիտ ուրվանկարը, որը պատկերում է դասական ֆիզիկան։
Սակայն աշխարհը շատ ավելի բարդ է, նուրբ, ու քվանտային մեխանիկան բացահայտում է դրա նոր էությունը` թույլ տալով երևույթներ, որոնք նախկինում անհնար էին։ PAN-ը պատմում է ֆիզիկական երեք երևույթի մասին, որոնք բացարձակ անհնար էին դասական ֆիզիկայում, սակայն իրական են քվանտայինում։
ԹՈՒՆԵԼԱՅԻՆ ԷՖԵԿՏ
Պատկերացրեք մտավոր գիտափորձ. ինքնաթիռը հանգած հրաբխի խառնարանն է նետում մի քանի տոննա կշռող մետաղական գունդն ու հեռանում։ Ի՞նչ ճակատագիր է սպասում գնդին, եթե հրաբուխն այլևս երբեք չարթնանա։ Դասական ֆիզիկայի պատասխանը միանշանակ է. եթե գնդին լրացուցիչ կինետիկ էներգիա չհաղորդվի, այսինքն` եթե որևիցե մեկը չփորձի այն հրել, ապա գունդը հավերժ կմնա խառնարանում։ Այն չի կարող հաղթահարել խառնարանի եզրերը, դուրս գալ ու ուրախ գլորվել ներքև։ Տեխնիկական լեզվով ասած, դասական ֆիզիկայում մարմինն առանց լրացուցիչ էներգիա ստանալու չի կարող հաղթահարել պոտենցիալ էներգիայի բարիերը ու անցնել ավելի ցածր էներգետիկ մակարդակի։
Քվանտային մեխանիկայում, որը նկարագրում է ոչ թե բազմատոննանոց մետաղական գնդերն, այլ միկրոսկոպիկ մասնիկները, դա ոչ միայն հնարավոր է, այլև տեղի է ունենում անընդհատ։ Ավելին, եթե չլիներ թունելային էֆեկտը, տեղի չէին ունենա ջերմամիջուկային ռեակցիաներն Արեգակում, չէր լինի բուսական ֆոտոսինթեզն ու, հնարավոր է, Տիեզերքում ընդհանրապես կյանք գոյություն չունենար։
Բայց ինչպե՞ս է քվանտային մասնիկն առանց լրացուցիչ էներգիա ստանալու հաղթահարում պոտենցիալ էներգիայի բարիերը։ Պատասխանը մասնիկի քվանտային էության մեջ է։ Քվանտային մասնիկը չունի մեծությունների հստակ արժեքներ. չի կարելի ասել, թե քվանտային մասնիկը միանշանակ գտնվում է որևիցե տեղում (խառնարանում), կամ որ այն ունի էներգիայի կոնկրետ արժեք։ Դրա փոխարեն, քվանտային մասնիկը գտնվում է կոորդինատների ու իմպուլսի արժեքների սուպերպոզիցիայում, այսինքն` մինչև գիտափորձի անցկացումը ունի կոորդինատների ու իմպուլսի միաժամանակ բազմաթիվ արժեքներ։ Թե որ արժեքը կհայտնաբերվի գիտափորձի ընթացքում, լրիվությամբ պատահական է, սակայն դրա հավանականությունը կարելի է հաշվարկել։ Ու պարզվում է, որ ցանկացած մասնիկ ունի ոչ զրոյական հավանականություն հայտնաբերված լինելու պոտենցիալ բարիերից այն կողմ` առանց էներգիայի լրացուցիչ ծախսի։
ՍՈՒՊԵՐՊՈԶԻՑԻԱ
Երբ մենք նայում ենք կայանված ավտոմեքենային, կարող ենք հստակ նկարագրել իր կոորդինատները (Երևան, Երիտասարդական մետրոյի դիմաց) ու իմպուլսը (զրոյական, որովհետև ավտոմեքենան չի շարժվում)։ Դասական ֆիզիկայում անհնար է պատկերացնել իրավիճակ, երբ ավտոմեքենան միաժամանակ գտնվում է Երիտասարդական մետրոյի մոտ, Իսահակյանի արձանի կողքին, Բժշկական համալսարանի մոտակայքում ու Երևան-Սևան մայրուղում` միաժամանակ լինելով կանգնած ու շարժվելով 30կմ/ժամ, 60 կմ/ժամ, 120 կմ/ժամ արագությամբ։
Քվանտային մեխանիկայում դա ոչ միայն հնարավոր է, այլև մասնիկների սովորական վիճակն է մինչև դրանց դիտարկումը։ Մասնիկը մինչև դիտարկումը գտնվում է տարբեր մեծությունների անորոշ վիճակում. այն միաժամանակ գտնվում է տարբեր տեղերում ու ունի իմպուլսի տարբեր արժեքներ։ Սակայն այս արտահայտությունն անհրաժեշտ է ճշգրիտ հասկանալ. թե ինչ է տեղի ունենում մասնիկի հետ մինչև դիտարկումը, ոչ ոք չգիտի, սակայն կարելի է սահմանել որևիցե արժեքի հայտնաբերման հավանականությունը։ Եթե վերադառնանք ավտոմեքենային, ապա կարող եք ասել, որ ավտոմեքենային նայելու պահին դուք 50% հավանականությամբ այն կգտնեք Երիտասարդական մետրոյի կողքին, 10% հավանականությամբ` Իսահակյանի արձանի մոտ, 5% հավանականությամբ` Բժշկական համալսարանի հարևանությամբ, 1% հավանականությամբ` Երևան-Սևան մայրուղում. նույնը` տարբեր արագությունների հետ կապված։ Իսկ մինչև դիտարկումն ավտոմեքենան գտնվում է անորոշ վիճակում, որը հնարավոր է նկարագրել միայն մաթեմատիկորեն։
ԱՆՈՐՈՇՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԻ ՍԿԶԲՈՒՆՔ
Վերադառնանք ավտոմեքենային։ Դուք, որպես դասական ֆիզիկայի կողմնակից, հանգիստ կարող եք հայտարարել, որ ձեզ հաջողվել է նկարագրել ավտոմեքենայի թե կոորդինատները, թե իմպուլսը միաժամանակ. դուք գիտեք, որ այն Երիտասարդական մետրոյի կողքին է ու կանգնած է, այսինքն` իմպուլսը զրոյական է։ Երրորդ օրինակում, կարելի է ասել, այն, ինչ թույլատրված է դասական ֆիզիկայում, անհնար է քվանտային մեխանիկայի համար։ Քվանտային մեխանիկայում դուք անկարող եք միաժամանակ ստանալ երկու ոչ կոմուտացվող մեծությունների ճշգրիտ արժեքը։
Այո, այո։ Քվանտային մեխանիկայում, եթե ձեզ հայտնի են մասնիկի ճշգրիտ կոորդինատներն, ապա լրիվությամբ անորոշ է նրա իմպուլսը։ Ավտոմեքենայի դեպքում, եթե այն ճշգրիտ հայտնաբերվել է Երիտասարդական մետրոյի կողքին, ապա նրա արագությունն այդ պահին միաժամանակ 0 կմ/ժամ է, 30կմ/ժամ է, 60 կմ/ժամ է, 120 կմ/ժամ է և այլն։ Բայց եթե փորձեք չափել ավտոմեքենայի շարժման արագությունն ու հայտնաբերեք, որ այն կազմում է 60 կմ/ժամ, ապա լրիվ անորոշ կլինեն նրա կոորդինատները. ավտոմեքենան միաժամանակ կգտնվի Երիտասարդական մետրոյի մոտ, Իսահակյանի արձանի կողքին, Բժշկական համալսարանի մոտակայքում ու Երևան-Սևան մայրուղում։
Հիշեցնենք, որ ավտոմեքենայի օրինակն ընդամենը քվանտային մեխանիկայի հակաինտուիտիվ էության իլյուստրացիայի համար է։ Ավտոմեքենաները չափազանց մեծ են, ծանր են ու բաղկացած են մեծաքանակ մասնիկներից` անորոշությունները նկատելի լինելու համար, հետևաբար` ավտոմեքենայի դեպքում շատ լավ ճշգրտությամբ հնարավոր է միաժամանակ ստանալ թե կոորդինատների, թե իմպուլսի արժեքները։ Սակայն միկրոսկոպիկ մասնիկի դեպքում դա անհնար է։
Կան բազմաթիվ այլ օրինակներ, երբ քվանտային մեխանիկայում առկա են երևույթներ, որոնք անհնար են դասական ֆիզիկայում. քվանտային խճճվածությունը, գերհաղորդականությունը, Ահարոնով-Բոհմի էֆեկտը, ֆոտոէֆեկտը և այլն։