“Wenn sie fragen, ob seine Position unbefristet ist, musst du nein sagen, wenn du fragst, ob sie sich im Laufe der Zeit ändert, musst du nein sagen. Wenn sie fragen, ob er still ist, müssen Sie „nein“sagen, wenn Sie fragen, ob er sich bewegt, müssen Sie „nein“sagen. Die Paradoxien der Quantenmechanik sind sehr schwer zu erkennen, ähnlich wie mystische Offenbarungen, und diese Worte von Robert Oppenheimer über das Verh alten des Elektrons könnten gut zweieinhalbtausend Jahre vor dem Aufkommen der modernen Physik von Lao Tzu gesagt worden sein.
Einführung. Die grundlegende Schwierigkeit, die Quantentheorie zu verstehen
Es ist schwer vorstellbar, wie unsere Zivilisation ohne klassische Physik und Mathematik aussehen würde. Die Konzepte der absoluten „objektiven Realität, die unabhängig von unserem Bewusstsein existiert“, des dreidimensionalen euklidischen Raums und der gleichmäßig fließenden Zeit sind so tief im Verstand verwurzelt, dass wir sie nicht bemerken. Und vor allem weigern wir uns zu bemerken, dass die Prinzipien der Quantenphysik nur in einigen Routinesituationen anwendbar und einfach falsch sind, um die Struktur des Universums zu erklären.
Obwohl so etwas schon vor Jahrhunderten von östlichen Philosophen und Mystikern zum Ausdruck gebracht wurde, war es Einstein, der zuerst in der westlichen Wissenschaft darüber sprach. Es war eine Revolution, die unser Bewusstsein nicht akzeptierte. Mit Herablassung wiederholen wir: „Alles ist relativ“, „Zeit und Raum sind eins“, immer im Hinterkopf beh altend, dass dies eine Annahme ist, eine wissenschaftliche Abstraktion, die mit unserer gewöhnlichen stabilen Realität wenig gemein hat. Tatsächlich korrelieren nur unsere Ideen nur schwach mit der Realität – erstaunlich und unglaublich.
Die Sprache der Mathematik ist streng, hat aber wenig mit unserer direkten Wahrnehmung zu tun
Nachdem die Struktur des Atoms in allgemeinen Begriffen entdeckt und sein "planetares" Modell vorgeschlagen worden war, sahen sich die Wissenschaftler vielen Paradoxien gegenüber, zu deren Erklärung ein ganzer Zweig der Physik auftauchte - die Quantenmechanik. Sie entwickelte sich schnell und kam bei der Erklärung des Universums weit voran. Aber diese Erklärungen sind so schwer zu verstehen, dass bisher nur wenige Menschen sie zumindest allgemein verstehen können.
In der Tat werden die meisten Errungenschaften der Quantenmechanik von einem so komplexen mathematischen Apparat begleitet, dass er einfach in keine der menschlichen Sprachen übersetzt werden kann. Dies ist eines der Probleme der Quantenphysik im Allgemeinen. Mathematik ist, wie Musik, ein äußerst abstraktes Fach, und Wissenschaftler kämpfen immer noch mit einem adäquaten Bedeutungsausdruck, beispielsweise der F altung von Funktionen oder mehrdimensionalen Fourier-Reihen. Die Sprache der Mathematik ist streng, hat aber wenig Bezug zu unserer direkten Wahrnehmung.
Außerdem hat Einstein mathematisch gezeigt, dass unsere Vorstellungen von Zeit und Raum illusorisch sind. In Wirklichkeit sind Raum und Zeit untrennbar und bilden ein einziges vierdimensionales Kontinuum. Kaum vorstellbar, weil wir es gewohnt sind, nur mit drei Dimensionen umzugehen.
Mit unserem 3D-Geist ist es kaum möglich, sich ein 4D-Raum-Zeit-Kontinuum vorzustellen
Planetentheorie. Welle oder Teilchen
Bis Ende des 19. Jahrhunderts g alten Atome als unteilbare „Elemente“. Die Entdeckung der Strahlung ermöglichte es Rutherford, unter die „Hülle“des Atoms vorzudringen und eine planetare Theorie seiner Struktur zu formulieren: Der Großteil des Atoms ist im Kern konzentriert. Die positive Ladung des Kerns wird durch negativ geladene Elektronen kompensiert, deren Abmessungen so klein sind, dass ihre Masse vernachlässigt werden kann. Elektronen umkreisen den Kern in Umlaufbahnen, ähnlich der Rotation der Planeten um die Sonne. Diese Theorie der Quantenphysik ist sehr schön, aber sie hat eine Reihe von Paradoxien.
Erstens, warum "fallen" negativ geladene Elektronen nicht auf einen positiven Kern? Zweitens kollidieren Atome in der Natur millionenfach pro Sekunde, was ihnen nicht im Geringsten schadet – wie erklärt sich die erstaunliche Stärke des gesamten Systems? Mit den Worten eines der „Väter“der Quantenmechanik, Heisenberg, „wird kein Planetensystem, das den Gesetzen der Newtonschen Mechanik gehorcht, jemals in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren, nachdem es mit einem anderen ähnlichen System kollidiert ist.“Außerdem sind die Abmessungen des Kerns, in dem fast die gesamte Masse gesammelt ist, im Vergleich zum gesamten Atom äußerst klein. Wir können sagen, dass ein Atom eine Leere ist, in der Elektronen mit rasender Geschwindigkeit rotieren. In diesem Fall erscheint ein solches "leeres" Atom als ein sehr festes Teilchen. Die Erklärung für dieses Phänomen geht über das klassische Verständnis hinaus. Tatsächlich nimmt die Geschwindigkeit eines Teilchens auf subatomarer Ebene umso mehr zu, je begrenzter der Raum ist, in dem es sich bewegt. Je näher also ein Elektron vom Kern angezogen wird, desto schneller bewegt es sich und desto mehr stößt es sich von ihm ab. Die Bewegungsgeschwindigkeit ist so groß, dass das Atom "von außen" "massiv aussieht", wie die Flügel eines rotierenden Ventilators wie eine Scheibe aussehen.
Daten, die nicht gut in den Rahmen des klassischen Ansatzes passen – die Paradoxien der Quantenphysik – tauchten lange vor Einstein auf. Erstmals kam es zu einem solchen „Duell“zwischen Newton und Huygens, die versuchten, die Eigenschaften des Lichts zu erklären. Newton argumentierte, dass dies ein Teilchenstrom sei, Huygens betrachtete Licht als Welle. Es ist unmöglich, ihre Positionen im Rahmen der klassischen Physik miteinander in Einklang zu bringen. Schließlich ist eine Welle für sie eine übertragene Anregung der Teilchen des Mediums, ein Konzept, das nur auf eine Vielzahl von Objekten anwendbar ist. Keines der freien Teilchen kann sich auf einer wellenförmigen Bahn bewegen. Aber ein Elektron bewegt sich in einem tiefen Vakuum, und seine Bewegungen werden durch die Gesetze der Wellenbewegung beschrieben. Was ist hier aufgeregt, wenn es keine Umgebung gibt? Die Quantenphysik bietet eine salomonische Lösung: Licht ist sowohl ein Teilchen als auch eine Welle.
Probabilistische Elektronenwolken. Die Struktur des Kerns und der Kernteilchen
Nach und nach wurde es immer deutlicher: Die Rotation von Elektronen auf Umlaufbahnen um den Kern eines Atoms ist völlig anders als die Rotation von Planeten um einen Stern. Da Elektronen eine Wellennatur haben, werden sie in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit beschrieben. Wir können von einem Elektron nicht sagen, dass es sich an diesem oder jenem Punkt im Raum aufhält, wir können nur ungefähr beschreiben, in welchen Bereichen es sich mit welcher Wahrscheinlichkeit aufh alten kann. Um den Kern herum bilden Elektronen "Wolken" solcher Wahrscheinlichkeiten von den einfachsten kugelförmigen bis zu sehr bizarren Formen, ähnlich wie Geisterfotos.
Für ein Elektron können wir nur grob beschreiben, in welchen Bereichen es sich mit welcher Wahrscheinlichkeit aufh alten kann
Aber wer den Aufbau des Atoms endlich verstehen will, muss sich seiner Grundlage zuwenden, dem Aufbau des Atomkerns. Die großen Elementarteilchen, aus denen es besteht – positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen – haben ebenfalls Quantennatur, das heißt, sie bewegen sich umso schneller, je kleiner sie eingeschlossen sind. Da die Abmessungen des Atomkerns selbst im Vergleich zu einem Atom extrem klein sind, werden diese Elementarteilchen mit recht ordentlichen Geschwindigkeiten, nahe der Lichtgeschwindigkeit, herumgetragen. Um ihre Struktur und ihr Verh alten endgültig zu erklären, müssen wir die Quantentheorie mit der Relativitätstheorie „kreuzen“. Leider gibt es ein Problem - eine solche Theorie wurde noch nicht erstellt und wir müssen uns auf einige allgemein akzeptierte Modelle beschränken.
Die Relativitätstheorie hat gezeigt (und Experimente bewiesen), dass Masse nur eine Form von Energie ist. Energie ist eine dynamische Größe, die mit Prozessen oder Arbeit verbunden ist. Daher sollte ein Elementarteilchen als probabilistische dynamische Funktion wahrgenommen werden, als Wechselwirkungen, die mit der kontinuierlichen Umwandlung von Energie verbunden sind. Dies gibt eine unerwartete Antwort auf die Frage, wie elementar Elementarteilchen sind, ob sie in „noch einfachere“Blöcke zerlegt werden können. Wenn wir zwei Teilchen im Beschleuniger verteilen und dann kollidieren, erh alten wir nicht zwei, sondern drei Teilchen, und sie sind genau gleich. Der dritte wird einfach aus der Energie ihrer Kollision entstehen - daher werden sie sich gleichzeitig trennen und nicht trennen!
Wenn wir zwei Teilchen im Beschleuniger zerstreuen und dann kollidieren, erh alten wir nicht zwei, sondern drei Teilchen, und sie sind genau gleich - das dritte entsteht aus der Energie ihrer Kollision
Teilnehmer statt Beobachter
In einer Welt, in der die Begriffe leerer Raum, isolierte Materie ihre Bedeutung verlieren, wird ein Teilchen nur durch seine Wechselwirkungen beschrieben. Um etwas darüber zu sagen, müssen wir es aus den anfänglichen Interaktionen "herausziehen" und es, nachdem wir es vorbereitet haben, einer anderen Interaktion - Messung - unterziehen. Was messen wir also am Ende? Und wie legitim sind unsere Messungen im Allgemeinen, wenn unser Eingriff die Wechselwirkungen verändert, an denen das Teilchen beteiligt ist – und damit das Teilchen selbst verändert?
In der modernen Elementarteilchenphysik wirft die Figur des wissenschaftlichen Beobachters immer mehr Fragen auf. Es wäre legitimer, ihn einen "Teilnehmer" zu nennen
In der modernen Elementarteilchenphysik wird immer mehr Kritik an der Figur des Wissenschaftler-Beobachters geübt. Es wäre legitimer, ihn als „Teilnehmer“oder „Beobachter“zu bezeichnen. Daher der Name des Phänomens, über das wir weiter sprechen werden - "Effekt des Beobachters" oder "Paradoxon des Beobachters" in der Quantenphysik.
Ein Beobachter-Teilnehmer wird nicht nur benötigt, um die Eigenschaften eines subatomaren Teilchens zu messen, sondern auch um genau diese Eigenschaften zu bestimmen, da sie nur im Kontext der Interaktion mit einem Beobachter diskutiert werden können. Sobald er die Art und Weise wählt, in der er Messungen durchführt, und abhängig davon, werden die möglichen Eigenschaften des Teilchens realisiert. Es lohnt sich, das Beobachtungssystem zu wechseln, und auch die Eigenschaften des beobachteten Objekts ändern sich - das Paradoxon der Quantenphysik.
Dieser wichtige Moment offenbart die tiefe Einheit aller Dinge und Phänomene. Teilchen selbst, die ständig ineinander und in andere Energieformen übergehen, haben keine konstanten oder präzisen Eigenschaften – diese Eigenschaften hängen davon ab, wie wir sie sehen. Will man eine Eigenschaft eines Teilchens messen, ändert sich zwangsläufig die andere. Eine solche Einschränkung ist nicht mit der Unvollkommenheit von Instrumenten oder anderen vollständig korrigierbaren Dingen verbunden. Dies ist ein Merkmal der Realität. Versuchen Sie, die Position eines Partikels genau zu messen, und Sie werden nichts über die Richtung und Geschwindigkeit seiner Bewegung sagen können - einfach weil es sie nicht hat. Beschreibe genau die Bewegung eines Teilchens - im Weltall wirst du es nicht finden. So konfrontiert uns die moderne Physik mit Problemen ganz metaphysischer Natur.
Es lohnt sich, das Beobachtungssystem zu wechseln, und auch die Eigenschaften des beobachteten Objekts ändern sich
Unsicherheitsprinzip. Ort oder Impuls, Energie oder Zeit
Wir haben bereits gesagt, dass es unmöglich ist, über subatomare Teilchen in den exakten Begriffen zu sprechen, an die wir gewöhnt sind, in der Quantenwelt bleibt uns nur die Wahrscheinlichkeit - dies ist, könnte man sagen, eines der Prinzipien von Quantenphysik. Das ist natürlich nicht die Wahrscheinlichkeit, von der man bei Wetten auf Rennen spricht, sondern eine grundlegende Eigenschaft von Elementarteilchen. Sie existieren nicht wirklich, sondern sie können existieren. Es ist nicht so, dass sie Eigenschaften haben, sondern sie können sie haben. Wissenschaftlich gesehen ist ein Teilchen ein dynamisches Wahrscheinlichkeitsschema, und alle seine Eigenschaften befinden sich in ständiger Bewegung im Gleichgewicht, balancieren, wie Yin und Yang auf dem alten chinesischen Symbol des Tai Chi. Kein Wunder, dass der in den Adelsstand erhobene Nobelpreisträger Niels Bohr dieses Zeichen und Motto für sein Wappen wählte: „Gegensätze ergänzen sich“. Mathematisch gesehen ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung eine ungleichmäßige Wellenschwingung. Je größer die Amplitude der Welle an einem bestimmten Ort ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass darin ein Teilchen vorhanden ist. Gleichzeitig ist seine Länge nicht konstant - die Abstände zwischen benachbarten Kämmen sind nicht gleich, und je höher die Wellenamplitude ist, desto größer ist der Unterschied zwischen ihnen. Während die Amplitude der Position des Teilchens im Raum entspricht, hängt die Wellenlänge mit dem Impuls des Teilchens zusammen, also mit der Richtung und Geschwindigkeit seiner Bewegung. Je größer die Amplitude (je genauer man das Teilchen im Raum lokalisieren kann), desto unsicherer wird die Wellenlänge (desto weniger kann man über den Impuls des Teilchens sagen). Wenn wir die Position des Teilchens auf die äußerste Präzision einstellen können, wird es überhaupt keinen eindeutigen Impuls haben.
Je schneller der Prozess abläuft, desto unsicherer ist die Menge an Energie, die daran beteiligt ist, und umgekehrt
Diese fundamentale Eigenschaft leitet sich mathematisch aus den Eigenschaften einer Welle ab und wird als Unschärferelation der Quantenphysik bezeichnet. Das Prinzip gilt auch für andere Eigenschaften von Elementarteilchen. Ein weiteres solches miteinander verbundenes Paar ist die Energie und Zeit von Quantenprozessen. Je schneller der Prozess abläuft, desto unsicherer ist die Menge an Energie, die daran beteiligt ist, und umgekehrt - es ist nur für einen Prozess von ausreichender Dauer möglich, die Energie genau zu charakterisieren.
Also, wir verstehen: Über das Teilchen kann nichts Bestimmtes gesagt werden. Es bewegt sich dort oder nicht dort, oder besser gesagt, weder hier noch dort. Seine Eigenschaften sind so oder so, oder besser gesagt, nicht so und nicht so. Es ist hier, aber es kann dort sein, oder es kann nirgendwo sein. Also existiert sie überhaupt?
