Անպատկերացնելին. Ինչպես ճիշտ հասկանալ քվանտային մեխանիկան
Ժամանակին գիտությունն ինտուիտիվ էր։ Փորձելով ճանաչել աշխարհը, մարդիկ իրենց շուրջը տեղի ունեցող երևույթները համադրում էին սեփական գիտակցական պատկերացումների հետ։ Ու այստեղ զարմանալի ոչինչ չկա։ Մարդը, որպես կենդանի օրգանիզմ, վերլուծում ու կանխատեսում է շրջակա միջավայրում տեղի ունեցող իրադարձությունները, կառուցում է իր ինտուիցիան այդ իրադարձությունների հիման վրա ու իր ամբողջ գիտակցական փորձը համապատասխանեցնում է դրանց։
Դասական ֆիզիկան, որի հիմքը դրեց Իսահակ Նյուտոնը, հենց այդ ինտուիցիայի վառ արտահայտումն էր։ Մենք գիտենք, որ մեզ շրջապատում են տարբեր օբյեկտներ, այդ օբյեկտները գտնվում են տարածության ինչ-որ հատվածում, շարժվելիս ունեն ինչ-որ կոնկրետ արագություն, հետևաբար` կարելի է հստակ հաշվարկել հետագիծն ու ճշգրիտ կանխատեսել, թե կոնկրետ ժամանակ անց տարածության որ հատվածում կհայտնվի օբյեկտը։ Պարզ մարդկային ինտուիցիա։ Սակայն 20-րդ դարի առաջին կեսին պարզվեց տարօրինակ բան. դասական ֆիզիկան դեռ ամբողջ պատմությունը չէ։ Ավելին, դասական ֆիզիկան ընդամենը ավելի ֆունդամենտալ տեսության մոտարկում է, պատրանք, որն առաջանում է, երբ նայում ենք աշխարհի միջինացված պատկերին` չխորանալով դետալների մեջ։ Իսկ այն, ինչ հիմքում է, հրաժարվում է ենթարկվել մարդկային ինտուիցիային։
PAN-ը կփորձի հնարավորինս հասկանալի լեզվով ու առանց մաթեմատիկայի ընդհանուր գծերով պատմել, թե ինչ է իրենից ներկայացնում քվանտային մեխանիկան։ Ընթերցողը պետք է հասկանա, որ սա այդ բարդագույն գիտական պարադիգմի նկարագրություն չէ. մենք կփորձենք պատմել քվանտային մեխանիկայի մասին այնպես, ինչպես թեմայից որոշակի չափով տեղյակ մեկը մեկ գավաթ գարեջրի շուրջ կպատմեր դրա մասին իր անտեղյակ ընկերոջը։
Առաջինն, ինչ պետք է իմանալ. մենք մեղավոր չենք, որ չենք հասկանում քվանտային մեխանիկան։ Եթե մարդ արարածը ունենար քվանտային բնույթ ու իր գիտակցությունը ձևավորվեր քվանտային պրոցեսների մեջ, ապա մարդու ինտուիցիան հիմնված կլիներ հենց դրանց վրա, իսկ դասական մեխանիկան կթվար խորթ ու անհասկանալի։ Սակայն մենք խոշոր, ահռելի քանակությամբ մասնիկներից բաղկացած, տաք ու շրջակա միջավայրի հետ ակտիվորեն փոխազդող ֆիզիկական օբյեկտներ ենք, իսկ նման օբյեկտները բավականին մեծ ճշգրտությամբ նկարագրվում են դասական ֆիզիկայով։ Իհարկե, ցանկացած նման օբյեկտ հնարավոր է նկարագրել նաև քվանտային մեխանիկայի մաթեմատիկական ապարատով, սակայն այդ նկարագրությունը, չնչին չափով ճշգրտելով դասական ֆիզիկայի նկարագրածը, կպահանջեր ահռելի հաշվարկային ռեսուրսներ։ Միջմայրցամաքային բալիստիկ հրթիռով ճնճղուկի վրա կրակելն այս դեպքում որևիցե պրակտիկ իմաստ չունի։
Հանճարեղ ֆիզիկոս Ռիչարդ Ֆեյնմանն իր դասախոսություններից մեկի ժամանակ ասել էր, որ նա, ով կհայտարարի, թե հասկանում է քվանտային մեխանիկան, իրականում ոչինչ էլ չի հասկանում։ Ու դա մաքուր ճշմարտություն է։ Փորձենք բացատրել ինչու։
Քվանտային մեխանիկան նկարագրում է միկրոսկոպիկ օբյեկտները։ Ընդ որում, խոսքը այն օբյեկտների մասին չէ, որոնք կարելի է տեսնել մանրադիտակով. բջիջները, միաբջիջ կենդանիները, առանձին խոշոր մոլեկուլները մակրոսկոպիկ օբյեկտներ են քվանտային մեխանիկայի տեսանկյունից։ Այն գործ ունի երևույթների հետ, որոնք տեղի են ունենում ատոմական ու սուբատոմական (ատոմներից էլ փոքր) մասշտաբներում։ Այդ երևույթներն անհնար է աչքով տեսնել, որովհետև մարդու համար ընկալելի լույսի ալիքի երկարությունը հազարավոր անգամներ գերազանցում է այդ մասշտաբները։ Այդ երևույթներն անհնար է շոշափել, զգալ, լսել, ընկալել ցանկացած զգայարանով։ Մեր զգայարանները չափազանց կոպիտ են ու ընկալում են այդ երևույթների միայն կոլեկտիվ, միջինացված ազդեցությունը։ Քվանտային մեխանիկան գործ ունի օբյեկտների հետ, որոնք անպատկերացնելի են. սա առաջին առանցքային բանն է, ինչ պետք է իմանալ։
Ի՞նչ է նշանակում անպատկերացնելի։ Մարդկային երևակայությունը շատ ճկուն է ու կարող է պատկերացնել երևույթների ահռելի սպեկտր, երևույթներ, որոնց մեծ մասը իրական կյանքում չեն հանդիպում։ Սակայն այդ ճկունության հետ մեկտեղ երևակայությունն ասոցիատիվ է, այն կառուցում է պատկերացումներն արդեն իսկ ծանոթ էլեմենտներից։ Իսկ մեր ծանոթ ոչ մի էլեմենտ հնարավոր չէ կիրառել քվանտային օբյեկտները պատկերացնելու համար։ Ինչպես պնդում էր նույն Ֆեյնմանը. էլեկտրոնը (որը քվանտային օբյեկտ է) նման չէ գնդակի, կամ ալիքի, կամ ամպի, կամ զսպանակի վրա տատանվող բեռիկի, կամ ցանկացած այլ բանի, ինչ դուք կարող եք պատկերացնել։ Էլեկտրոնն անպատկերացնելի է պատկերացնելու մասին մեր կենցաղային ընկալման առումով։
Բայց էլեկտրոնը պատկերացնելի է մաթեմատիկորեն։ Ավելի ճիշտ, մաթեմատիկան միակ լեզուն է, որը թույլ է տալիս խոսել էլեկտրոնի մասին, այնպես որ, խիստ ասած, այս նյութը նույնպես ընդամենը մշուշոտ ակնարկ է երևույթների մասին, որոնք հստակ երևում են միայն մաթեմատիկական հավասարումներում։ Այստեղից էլ բխում է քվանտային մեխանիկայի երկրորդ առանցքային նշանակությունը. քվանտային մեխանիկան չի նկարագրում այն, թե ինչ է տեղի ունենում ատոմական կամ սուբատոմական մասշտաբներում։ Ոչ ոք չգիտի, թե ինչ է այնտեղ տեղի ունենում։ Քվանտային մեխանիկան մաթեմատիկական ինստրուկցիաների ձեռնարկ է, գործիք, որը հայտնում է, թե ինչ ինֆորմացիա կարող է քաղել մակրոսկոպիկ գիտնականը քվանտային մասշտաբների հետ այս կամ այն կերպ փոխազդելիս։ Այսինքն, քվանտային մեխանիկան այն թարգմանիչն է, որը ատոմական ու սուբատոմական մասշտաբների լեզուն թարգմանում է մակրոսկոպիկ լեզվի։
Գիտափորձի դասական տարբերակում լույսի աղբյուր հանդիսացող սարքի դիմաց դրված է անթափանց խոչընդոտ` երկու ուղղահայաց ճեղքով, իսկ խոչընդոտի հետևում էկրան է։ Լույսի աղբյուրի ինտենսիվությունը նվազեցվում է մինչև առանձին ֆոտոններ արձակելը։ Ֆոտոններն անցնում են ճեղքերով ու արտացոլվում էկրանի որևիցե կետում։ Տարօրինակությունը սկսվում է այն ժամանակ, երբ ֆոտոնների քանակը շատ է։ Այդ դեպքում էկրանի վրա հայտնվում է ոչ թե երկու լուսավոր ուղղահայաց գիծ (յուրաքանչյուր ճեղքի դիմաց, ինչը կնշանակի, որ յուրաքանչյուր ֆոտոն անցնում է կամ մի ճեղքով, կամ մյուսով), այլ ինտերֆերենցիոն պատկեր` լուսավոր ու մութ հատվածների հաջորդականությամբ։ Նույնը ստացվում է նաև այլ մասնիկներով, մասնավորապես` էլեկտրոններով գիտափորձն անցկացնելիս։
Գիտափորձի արդյունքների ուշադիր վերլուծության արդյունքում ստեղծվում է տպավորություն, որ մինչև էկրանին հասնելը մեկ ֆոտոնն անցնում է ոչ թե մեկ ճեղքով, այլ երկուսով միաժամանակ` ինտերֆերենցիայի մեջ մտնելով ինքն իր հետ։ Մաթեմատիկորեն դա նշանակում է, որ ֆոտոնի ալիքային ֆունկցիայի երկու բաղադրիչը (մեկը` աջ ճեղքով անցնող, մյուսը` ձախ) միմյանց հետ ինտերֆերենցիայի արդյունքում փոխադարձաբար ուժեղացնում ու թուլացնում են իրար` ավելի մեծ հավանականությամբ հայտնվելով էկրանի կոնկրետ հատվածներում ու գրեթե չհայտնվելով մյուսներում։ Այստեղից էլ բխում է քվանտային օբյեկտների հետ կապված մասնիկ-ալիք երկվությունը։
Հատկանշական է, որ եթե խոչընդոտի հետևում տեղադրված լինի առանձին դետեկտոր, որը պետք է ֆիքսի, թե որ ճեղքով է անցել մասնիկը, ապա էկրանին ինտերֆերենցիոն պատկեր չի հայտնվի, կլինեն սպասվող երկու ուղղահայաց գծերը։
Ավելի մանրամասն ու պատկերավոր
Ու պարզվում է, այդ թարգմանությունը հիմնված է պատահականությունների ու հավանականությունների վրա։ Ու այստեղ էլ գործ ունենք քվանտային մեխանիկայի երրորդ առանցքային առանձնահատկության հետ. այստեղ պատահականություններն իրական պատահականություններ են բառի ամենաճշգրիտ իմաստով։ Երբ մենք զառ կամ մետաղադրամ ենք նետում, մեզ թվում է, թե արդյունքը պատահական է։ Իրականում դա այդպես չէ. զառի կամ մետաղադրամի վրա ազդում են ահռելի քանակությամբ գործոններ` սկսած կառուցվածքի խոտաններից, նետման արագությունից մինչև օդի հոսանքներ և այլն։ Բոլոր այդ պարամետրերը ճշգրիտ իմանալու դեպքում հնարավոր կլիներ 100 տոկոսով կանխատեսել, թե ինչ թիվ կբերի զառը կամ որ կողմով կընկնի մետաղադրամը։ Սակայն այդ պարամետրերը ճշգրիտ չիմանալու պատճառով մենք համարում ենք արդյունքը պատահական։
Քվանտային մեխանիկայում պատահականությունը ֆունդամենտալ է։ Այստեղ գոյություն չունեն թաքնված ու մեզ անհայտ մեխանիզմներ, որոնք կանխորոշում են գիտափորձի արդյունքը։ Երբ գիտնականը դիտարկում է էլեկտրոնի կոորդինատները, նա ոչ մի կերպ հնարավորություն չունի կանխատեսելու, թե որտեղ այն կլինի։ Նույնը մնացած բոլոր մեծությունների հետ կապված։
Ու այստեղ բախվում ենք քվանտային մեխանիկայի հաջորդ տարօրինակության հետ։ Միակ էլեկտրոնի դեպքում անհնար է ասել, թե որտեղ այն կհայտնաբերվի դիտարկման ընթացքում։ Սակայն կարելի է ստանալ հազարավոր էլեկտրոններ նույն վիճակում, որոնք բացարձակ իդենտիկ են։ Ու բոլոր այդ էլեկտրոնները դիտարկելիս արդեն հնարավոր կլինի բավականին մեծ ճշգրտությամբ կանխատեսելի, թե դրանց որ մասը տարածության որ կոորդինատներում կհայտնաբերվեն դիտարկման արդյունքում։ Օրինակ, 1000 հատ էլեկտրոն դիտարկելիս հնարավոր է կանխատեսել, որ նրանց 90%-ը կհայտնաբերվի x1 կոորդինատներում, 8%-ը` x2 ու 2%-ը` x3 կոորդինատներում։ Բուն դիտարկումը շատ մեծ ճշգրտությամբ կհամապատասխանի այդ կանխատեսումներին։ Ինչո՞ւ։ Ոչ ոք չգիտի, այնպիսին է քվանտային մեխանիկան։ Մենք կարող ենք ստանալ այդ 1000 էլեկտրոնի համար ալիքային ֆունկցիան` մաթեմատիկական գործիք, որը կանխատեսում է, թե տվյալ դիտարկումն անելիս էլեկտրոնների որ մասը տարածության որ հատվածում կհայտնաբերվի, կամ (քանի որ էլեկտրոնները իդենտիկ են), ինչ հավանականությամբ տվյալ միակ էլեկտրոնը կհայտնաբերվի տարածության տվյալ հատվածում։ Սա վերաբերում է էլեկտրոնի հետ առնչվող բոլոր մեծություններին` կոորդինատներ, իմպուլս, էներգիա, սփին և այլն։
Վերջապես, խոսենք մեծությունների մասին։ Մենք գիտենք, որ ֆիզիկայում ցանկացած օբյեկտ նկարագրվում է մեծություններով ու դրանց արժեքներով։ Գնդակն ունի զանգված, շարժվում է ինչ-որ արագությամբ, գտնվում է տարածության ինչ-որ հատվածում, պատին հարվածում է ինչ-որ կինետիկ էներգիայով։ Էլեկտրոնն այդ ամենը չունի։ Մինչև դիտարկումը էլեկտրոնը չունի որևիցե կոնկրետ արագություն, չի գտնվում որևիցե տեղում, ավելի խիստ կարելի է ասել` մինչև դիտարկումն էլեկտրոնը չունի այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են տարածության որևիցե տեղում գտնվելը կամ որևիցե արագությամբ շարժվելը։ Փորձեք դա պատկերացնել, ու կհասկանաք, ինչու է դա անպատկերացնելի։
Իրավիճակը բարդանում է նրանով, որ շատ մեծություններ քվանտային մեխանիկայում կոմուտացվող չեն, այսինքն` որքան ճշգրիտ հայտնի է մեկի արժեքն, այնքան անորոշ է մյուսինը։ Անորոշ չի նշանակում, որ էլեկտրոնն ունի տվյալ մեծության արժեքն, ուղղակի այն անհայտ է. մեծությունը որևիցե արժեք չունի բառի բուն իմաստով` անկախ դիտարկման մեր հնարավորություններից։ Օրինակ, կոորդինատներն ու իմպուսը (արագություն × զանգված) կոմուտացվող մեծություններ չեն։ Գիտափորձի ընթացքում եթե էլեկտրոնը դրսևորում է կոորդինատների որևիցե մեծություն (հայտնաբերվում է տարածության որևիցե հատվածում), ապա նրան հատուկ չէ այնպիսի մեծություն, ինչպիսին իմպուլսն է ու հակառակը։ Հետևաբար, հետագիծ հասկացությունը նույնպես էլեկտրոնի համար որևիցե իմաստ չունի։
Այսպիսով` ինչպե՞ս հասկանալ քվանտային մեխանիկան։ Եզրակացությունը մեկն է` միայն ու միայն մաթեմատիկայի լեզվով։ Քվանտային մեխանիկան ամենաճշգրիտ գիտական պարադիգմն է, ու այն, որ մեր տեսանկյունից տարօրինակությունները` խճճվածություն, սփին, ֆլուկտուացիաներ և այլն, նկարագրվում են միայն մաթեմատիկայի լեզվով, ոչ թե Բնության խնդիրն է, այլ մեր գիտակցության սահմանափակ լինելու։ Քվանտային մեխանիկան անհնարը դարձնում է հնարավոր: Իհարկե, փորձեր արվում են այս թեմայով փիլիսոփայելու, սակայն փորձը ցույց է տալիս, որ լավագույն միջոցը այստեղ ձայնը կտրելն ու հաշվելն է։