მოკლედ კვანტური მექანიკის შესახებ

 სიტყვა ”კვანტი”, ლათინურიდან მოდის – quantum (რამდენი). ”მექანიკა”, იმთავითვე, მატერიის მოძრაობის შემსწავლელ მეცნიერებას ნიშნავდა. შესაბამისად, ”კვანტური მექანიკა” პორციებად მოძრავ მატერიას სწავლობს (დაკვანტული მატერიის მოძრაობას). ტერმინი ”კვანტი” ხმარებაში გერმანელმა მეცნიერმა მაქს პლანკმა შემოიღო, ატომებზე სინათლის ზემოქმედების აღსაწერად.

 კვანტური მექანიკა, ხშირად, ჩვენთვის ჩვეულ წარმოდგენებს ეწინააღმდეგება. ყოველდღიურ ცხოვრებაში, დიდი ზომის ობიექტებსა და მაკროსამყაროში მიმავალ მოვლენებს ვხვდებით, ატომურ და სუბატომურ დონეზე კი მატერიალური ნაწილაკები სულ სხვანაირად იქცევიან (ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპი). მაკროსამყაროში, ნებისმიერი ობიექტის კოორდინატების განსაზღვრა საიმედოდ და ერთმნიშვნელოვნად შეგვიძლია. არა აქვს მნიშვნელობა რას ვიყენებთ ამისათვის – სახაზავს, რადარს, სონარს, ფოტომეტრიასა თუ სხვა საზომ საშუალებას, გაზომვათა შედეგები ობიექტური იქნება, ობიექტის მდებარეობისგან დამოუკიდბელი. გარკვეული განუსაზღვრელობა და უზუსტობა საზომი მოწყობილობის სიზუსტეზე იქნება დამოკიდებული. უფრო ზუსტი მონაცემების მისაღებად, საკამრისი იქნება კიდევ უფრო სრულყოფილი ხელსაწყოები ავიღოთ და უშეცდომოდ ვიმოქმედოთ.

 თუ რაიმე ობიექტის, მაგალითად, წიგნის კოორდინატების მაგივრად მიკრონაწილაკის კოორდინატები უნდა გავიგოთ, მაგალითად, ელექტრონის, საზომ მოწყობილობასა და ობიექტს შორის ურთიერთქმედების გათვალისწინებაც მოგვიწევს. სახაზავის ან სხვა საზომი ხელსაწყოს ზემოქმედება წიგნზე უმნიშვნელოა და ის გაზომვის შედეგზე არ აისახება, ხოლო ელქტრონის სივრცული კოორდინატების გასაზომად მისი მიმართულებით ფოტონი, ელექტრონი ან სხვა მსუბუქი ელემენტარული ნაწილაკი უნდა გავუშვათ და მისი გადახრა გავზომოთ (სახაზავს მას ვერ მივადებთ 🙂 ). ამ დროს თვითონ ელექტრონი, რომელიც გაზომვის ობიქტია, სხვა ნაწილაკთან დაჯახებით სივრცულ მდებარეობას შეიცვლის. ამგვარად, თვით გაზომვის აქტი იწვევეს საზომი ობიექტის მდებარეობის შეცვლას და უზუსტობები თვით გაზომვის ფაქტის გამოა განპირობებული, არა საზომი მოწყობილობის უზუსტობით. მიკროსამყაროში მეცნიერებს სწორედ ასეთ სიტუაციებთან უწევთ შერიგება. გაზომვა ურთიერთქმედების გარეშე შეუძლებელია, ხოლო ურთიერთქმედება – საკვლევ ობიექტზე ზემოქმედების გარეშე, ანუ შედეგებიც დამახინჯებული იქნება.

 ამ ურთიერთქმედების შედეგებზე მხოლოდ ერთი რამ შეიძლება ვამტკიცოთ:
სივრცული კოორდინატების განუსაზღვრელობა, × ნაწილაკის სიჩქარის განუსაზღვრელობა > h/m, ან, მათემატიკური ენით რომ ვთქვათ:

 Δx × Δv > h/m

 სადაც Δx და Δv – ნაწილაკის სივრცული მდებარეობისა და სიჩქარის განუსაზღვრელობაა. h –პლანკის მუდმივა, ხოლო m – ნაწილაკის მასაა.

 შესაბამისად, განუსაზღვრელია არამარტო ელექტრონის სივრცული კოორდინატები, არამედ ნებისმიერი სუბატომური ნაწილაკისა, თან არა მარტო კოორიდატების, სხვა თვისებებისაც – სიჩქარის, მაგალითად. ანალოგიურად განისაზღვრება ნებისმიერი ასეთნაირად დაკავშირებული ნაწილაკების თვისებათა ცთომილებებიც (სხვა წყვილის მაგალითი – ელექტრონის მიერ გამოსხივებული ენერგია და დრო, რომლის განმავლობაშიც ეს ენერგია გამოსხივდა). ანუ, თუ ჩვენ, მაგალითად, ელექტრონის სივრცული მდებარეობა მაღალი სიზუსტით გავზომეთ, მაშინ იმავე დროის მონაკვეთში მისი მოძრაობის სიჩქარეზე საკმაოდ არაზუსტი მონაცემი გვექნება და პირიქით. ბუნებრივია, პარალელური გაზომვების დროს ამ ორ უკიდურესობამდე საქმე არ მიდის და სიტუაცია გაშუალებულია. ანუ თუ ჩვენ ელექტრონის მდებარეობა 10^-6 სიზუსტით გავზომეთ, ერთდროულად სიჩქარის გაგებაც შეგვიძლია, საუკეთესო შემთხვევაში – 650 მ/წმ-მდე სიზუსტით.

 განუსზღვრელობის პრინციპიდან გამომდინარე, კვანტური მიკროსამყაროს ობიექტთა აღწერას განსხვავებული ხასიათი აქვს, ვიდრე ჩვენთვის ჩვეულ ნიუტონისეულ მაკროსამყაროს აღწერას. სივრცული კოორდინატებისა და სიჩქარის ნაცვლად, რომლებითაც ჩვენ მექანიკური მოძრაობების აღწერას მივეჩვიეთ, მაგალითად, ბურთის მოძრაობა ბილიარდის მაგიდაზე, კვანტურ მექანიკაში ობიექტები ე.წ. ტალღური ფუნქციით აღიწერება. ”ტალღის” ქიმი, გაზომვების დროს, სივრცეში ნაწილაკის მდებარეობის მაქსიმალურ ალბათობას შეესაბამება. ასეთი ტალღის მოძრაობა შროდინგერის განტოლებებით აღიწერება, რომელიც გვეუბნება, თუ როგორ იცვლება დროთა განმავლობაში კვანტური სისტემის მდგომარეობა (მოკლედ შროდინგერის განტოლების შესახებ).

 მიკროსამყაროში შროდინგერის განტოლებით დახატული კვანტური მოვლენების სურათი ისეთია, რომ ნაწილაკები ცალკეულ მოქცევით ტალღებს ემსგავსება, რომლებიც ოკეანე-სამყაროს ზედაპირზე ვრცელდება. დროთა განმავლობაში ტალღის ქიმი (მაქს. ალბათობა) ტალღურ ფუნქციასთან შესაბამისობაში გადაადგილდება სივრცეში და ამ დიფერნციალური განტოლების ამონახსენია. შესაბამისად, ის, რაც ჩვენ ტრადიციულად ნაწილაკად წარმოგვიდგენია, კვანტურ დონეზე ტალღისათვის დამახასიათებელ თვისებებს ავლენს.

 ექსპერიმენტით შეიძლება განისაზღვროს, არის თუ არა კვანტურ მექანიკაში გაუთვალისწინებელი ფარული პარამეტრები. ”ღმერთი კამათლით არ ითამაშებს” — ამ სიტყვებით ალბერტ აინშტაინმა გამოწვევა გაუგზავნა კოლეგებს, რომლებიც ახალ თეორიას ქმნიდნენ, სახელად კვანტური მექანიკა. მისი აზრით, ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპსა და შროდინგერის განტოლებას  არაჯანმრთელი გაუგებრობა შეჰქონდა მიკროსამყაროში. ის დარწმუნებული იყო, რომ ”შემოქმედი” არ დაუშვებდა ელექტრონებსა და ნიუტონისეულ ბილიარდის ბურთებს შორის ასეთ მკვეთრ განსხვავებას. ფაქტიურად, წლების განმავლობაში აინშტაინი კვანტური მექანიკის მიმართ ეშმაკის ადვოკატის როლს თამაშობდა, პარადოქსების მოგონებით, რომლებიც ახალი თეორიის შემქმნელებს ჩიხში შეიყვანდა. თუმცა ამით ის კარგ საქმეს აკეთებდა, აიძულებდა რა ოპონენტებს კიდევ უფრო კარგად დაფიქრებულიყვნენ.

 ბედის ირონიაა, რომ აინშტაინი, კვანტური მექანიკის ოპონენტად შევიდა ისტორიაში, თუმცა თავიდან თვითონ იდგა ამ თეორიის საწყისებთან. კერძოდ, 1921 წელს, ნობელის პრემია ფარდობითობის თეორიის გამო კიარ მიიღო, არამედ ფოტოელექტრული ეფექტის კვანტური წარმოდგენებით ახსნის გამო.

 ყველაზე მეტად, მიკროსამყაროსეულ მოვლენათა ალბათობებისა და ტალღური ფუნქციების ტერმინებით აღწერას ეწინააღმდეგებოდა, ნაწილაკთა კოორდინატებისა და სიჩქარეებით აღწერის პოზიცისგან განსხვავებით. აი რას გულისხმობდა იგი ”კამათლით თამაშის” ქვეშ. ის აღიარებდა, რომ ელექტრონების აღწერა მათი სიჩქარეებითა და კოორდინატებით განუსაზღვრელობის პრონციპს ეწინააღმდეგებოდა. თუმცა, ამტკიცებდა, რომ უნდა არსებობდეს კიდევ რაღაც ცვლადები და პარამეტრები, რომელთა გათვალისწინებითაც მიკროსამყაროს კვანტურ-მექანიკური სურათი მთლიანობისა და დეტერმინიზმის გზაზე დაბრუნდებოდა. ანუ, ამტკიცებდა იგი, ჩვენ მხოლოდ გვეჩვენება, რომ ღმერთი კამათლით გვეთამაშება, რადგან ყველაფერი ბოლომდე არ გვესმის. ამით მან პირველმა მოახდინა დამალული ცვლადის ჰიპოთეზის ფორმულირება კვანტურ მექანიკაში. სინამდვილეში, ელექტრონებს ფიქსირებული კოორდინატები და სიჩქარეები გააჩნია, როგორც ნიუტონისეულ ბილიარდის ბურთებს, ხოლო განუსაზღვრელობის პრინციპითა და ალბათობებით მათდამი მიდგომა კვანტური მექანიკის ჩარჩოებში, ამ თეორიის დაუსრულებლობაზე მეტყველებს, რის გამოც ის ამ მონაცემების სრულფასოვანი განსაზღვრის საშუალებას არ იძლევა.

 თვალსაჩინოებისათვის, დამალული ცვლადის თეორია ასე შეიძლება წარმოვიდგინოთ: განუსაზღვრელობის პრინციპის ფიზიკური დასაბუთება ის არის, რომ კვანტური ობიექტის მახასიათბლების გაზომვა, მაგალითად, ელექტრონის, მხოლოდ სხვა კვანტურ ობიექტთან ურთიერთქმედებით არის შესაძლებელი; ამ დროს, გასაზომი ობიექტის მდგომარეობა იცვლება. თუმცა, შეიძლება, არსებობს გაზომვათა ჩატარების ჩვენთვის ჯერჯერობით უცნობი ხერხები და ინსტრუმენტები. ეს ინსტრუმენტები (დავარქვათ ”სუბელექტრონები”), შესაძლებელია, კვანტურ ობიექტებთან შეხებით მათ მდგომარეობას არ შეცვლის და განუსაზღვრელობის პრინციპის მათ მიმართ გამოყენება მიუღებელი იქნება. არანაირი ფაქტიური მონაცემები მსგავსი ჰიპოთეზების სასარგებლოდ არ იყო, ისინი მხოლოდ ფსიქოლოგიური დისკომფორტის გამო არსებობდა, რომელსაც ბევრი მეცნიერი სამყაროს მოწყობის დამკვიდრებულ, ნიუტონისეულ წარმოდგენებზე უარის თქმის აუცილებლობის გამო განიცდიდა.

 1964 წელს, ჯონ ბელმა ახალი და ყველასათვის მოულოდნელი თეორიული შედეგი მიიღო. მან დაამტკიცა, რომ შეიძლება ჩატარდეს გარკვეული ექსპერიმენტი, რომლითაც დადგინდება, მართლაც აღიწერება თუ არა კვანტური ობიექტები ალბათობათა განაწილების ტალღური ფუნქციებით, თუ, არსებობს ფარული პარამეტრი, რომელიც მათი ადგილისა და იმპულსის ზუსტად აღწერის საშუალებას იძლევა, როგორც ნიუტონისეული ბურთებისა. ბელის თეორემა, როგორც მას ახლა უწოდებენ, გვიჩვენებს, რომ შეიძლება ჩატარდეს ექსპერიმენტთა სერია, რომლის სტატისტიკური შედეგები დაამტკიცებს ან უარყოფს ფარული პარამეტრების არსებობას. პირობითად რომ ვთქვათ, ერთ შემთხვევაში სტატისტიკური თანაფარდობა არ იქნება 2/3-ზე მეტი, მეორეში – 3/4-ზე ნაკლები.

 ბელის თეორემის პუბლიკაციის მერე, ყველაზე უფრო უსიამოვნო სიურპრიზი კოლოსალური რაოდენობის ექსპერიმენტების ჩატარების აუცილებლობაში იყო, რომელთა ჩატარება იმ მომენტისთვის, სტატისტიკურად სანდო სურათის მისაღებად, შეუძლებელი ჩანდა.

 1970 წელს, ექსპერიმენტების გამოქვეყნების მერე, ყველაფერი სრულიად ნათელი გახდა. ალბათობათა განაწილების ტალღური ფუნქცია უშეცდომოდ აღწერს ნაწილაკის მოძრაობას წყაროდან დეტექტორამდე. შესაბამისად, ტალღური კვანტური მექანიკის განტოლებები ფარულ ცვლადებს არ შეიცავს.

 მიკროსამყაროს ობიექტთა ტალღური და კორპუსკულარული (ნაწილაკური) თვისებების შერწყმა მას შემდეგ მოხდა, რაც ფიზიკოსები შეთანხმდნენ, რომ კვანტური სამყაროს ობიექტები არც ნაწილაკებად და არც ტალღებად არ ჩაეთვალათ, არამედ შუალედურ, ორივე თვისებების მქონე ობიექტებად. ნიუტონისეულ მექანიკაში ამ ობიექტების ანალოგი არ არსებობს. კვანტური მექანიკის ასეთნაირად გადაწყვეტაში პარადოქსების უამრავი რაოდენობაა, თუმცა უკეთსი ვარიანტი ჯერ არც არავის წარმოუდგენია (კომპლემენტარულობის პრინციპი; შროდინგერის კატა; კვანტური არარეალობა: რაშია ჭეშმარიტება?).