მოკლედ კვანტური მექანიკის შესახებ

მოკლედ კვანტური მექანიკის შესახებ

 სიტყვა ”კვანტი” ლათინურიდან მოდის quantum(რამდენი, რამდენად ბევრი) და ინგლისურიდან quantum(რაოდენობა, პორცია, კვანტი). ”მექანიკა” იმთავითვე მატერიის მოძრაობის შემსწავლელ მეცნიერებას აღნიშნავდა. შესაბამისად, ”კვანტური მექანიკა” პორციებად მოძრავ მატერიას სწავლობს(ან დაკვანტული მატერიის მოძრაობას). ტერმინი ”კვანტი” ხმარებაში გერმანელმა მეცნიერმა მაქს პლანკმა შემოიტანა, სინათლის(1), ატომებზე ზემოქმედების აღსაწერად.

 კვანტური მექანიკა ხშირად ჩვენს ჩვეულ წარმოდგენებს ეწინააღმდეგება. ჩვენ ყოველდღიურ ცხოვრებაში დიდი ზომების ობიექტებსა და მაკროსამყაროში მიმავალ მოვლენებს ვხვდებით, ხოლო ატომურ და სუბატომურ დონეზე მატერიალური ნწილაკები სულ სხვანაირად იქცევიან(ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპი). მაკროსამყაროში ჩვენ ნებისმიერი ობიექტის კოორდინატების განსაზღვრა საიმედოდ და ერთმნიშვნელოვნად შეგვიძლია(მაგალითად წიგნის). არა აქვს მნიშვნელობა რას ვიყენებთ ამისათვის – სახაზავს, რადარს, სონარს, ფოტომეტრიასა თუ სხვა საზომ საშუალებას, გაზომვათა შედეგები ობიექტური იქნება, წიგნის მდებარეობისაგან დამოუკიდბელი. გარკვეული განუსაზღვრელობანი და უზუსტობანი საზომი მოწყობილობის სიზუტეზე იქნება დამოკიდებული. უფრო ზუსტი მონაცემების მისაღებად, საკამრისი იქნება კიდევ უფრო სრულყოფილი ხელსაწყოები ავიღოთ და უშეცდომოდ ვიმოქმედოთ.
თუ ჩვენ წიგნის კოორდინატების მაგივრად მიკრონაწილაკის კოორდინატები უნდა გავიგოთ, მაგალითადელექტრონის, საზომ მოწყობილობასა და ობიექტს შორის ურთიერთქმედების გათვალისწინებაც მოგვიწევს. სახაზავის ან სხვა საზომი ხელსაწყოს წიგნზე ზემოქმედება 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. ამ დროს თვითონ ელექტრონი, რომელიც გაზომვების ობიქტია, სხვა ნაწილაკთან დაჯახებით სივრცულ მდებარეობას შეიცვლის. ამგვარად, თვით გაზომვის აქტი საზომი ობიექტის მდებარეობის შეცვლას იწვევეს 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 შედეგებშიც დამახინჯებული იქნება.
ამ ურთიერთქმედების შედეგებზე მხოლოდ ერთი რამე 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. შესაბამისად, h –პლანკის მუდმივა, ხოლო а m – ნაწილაკის მასაა.
შესაბამისად, განუსაზღვრელობა არამარტო ელექტრონის სივრცული კოორდინატების განსაზღვრისას ხდება, არამედ ნებისმიერი სუბატომური ნაწილაკის, თან არა მარტო კოორიდატების, სხვა თვისებებისაც – სიჩქარის მაგალითად. ანალოგიურად განისაზღვრება ნებისმიერი ასეთნაირად დაკავშიერბული ნაწილაკების თვისებათა ცდომილებებიც(სხვა წყვილის მაგალითი – ელექტრონის მიერ გამსოხივებული ენერგია და დრო, რომლის განმავლობაშიც ეს ენერგია გამოსხივდა). ანუ თუ ჩვენ, მაგალითად, ელექტრინის სივრცული მდგომარეობა 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 საბილიარდე მაგიდაზე მოძრაობა, კვანტურ მექანიკაში ობიექტები ე.წ. ტალღური ფუნქციით აღიწერებიან. ”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.
მიკროსამყაროში შროდინგერის განტოლებით დახატული კვანტური მოვლენების სურათი ისეთია, რომ ნაწილაკები ცალკეულ მოქცევით ტალღებს ემსგავსებიან, რომელბიც ოკეანე-სამყაროს ზედაპირზე ვრცელდებიან. დროთა განმავლობაში ტალღის ქიმი(მაქს. ალბათობა) სივრცეში ტალღურ ფუნქციასთან შესაბამისობაში გადაადგილდება 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 სამყაროს კამათელს არ ეთამაშება”.
ამ სიტყვებით ალბერტ აინშტაინმა გამოწვევა გაუგზავნა კოლეგებს, რომლებიც ახალ თეორიას ქმნიდნენ, სახელად კვანტური მექანიკა. მისი აზრით, ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპსა და შროდინგერის განტოლებას მიკროსამყაროში არაჯანმრთელი გაუგებრობა შეჰქონდათ. 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 ისტორიაში კვანტური მექანიკის ოპონენტად შევიდა, 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(მოკლედ კვანტური მექანიკის შესახებ), ნაწილაკთა კოორდინატებისა და სიჩქარეებით აღწერის პოზიციისგან განსხვავებით. აი რას გულისხმობდა იგი ”კამათლით თამაშის” ქვეშ. ის აღიარებდა, რომ ელექტრონების აღწერა მათი სიჩქარეებითა და კოორდინატებით განუსაზღვრელობის პრონციპს ეწინააღმდეგებოდა. თუმცა, ამტკიცებდა, რომ უნდა არსებობდნენ 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. ანუ, სინამდვილეში ელექტრონებს ფიქსირებული კოორდინატები და სიჩქარეები გააჩნიათ, 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 შეცვლიან და განუსაზღვრელობის პრინციპის მათ მიმართ გამოყენება მიუღებელი იქნება. არანაირი ფაქტიური მონაცემები მსგავსი ჰიპოთეზების სასარგებლოდ არ არსებობდა, ისინი მხოლოდ ფსიქოლოგიური დისკომფორტის გამო არსებობდნენ, 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 აღიწერებიან 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 იარსებებს თუ არა დაფარული პრამეტრი, შეიძლება ჩატარდეს სერიული ექსპერიმენტი, რომლის სტატისტიკური შედეგები დაამტკიცებენ ან უარყოფენ 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 ნთელი გახდა. ალბათობათა განაწილების ტალღური ფუნქცია უშეცდომოდ აღწერს ნაწილაკის მოძრაობას წყაროდან დეტექტორამდე. შესაბამისად, ტალღური კვანტური მექანიკის განტოლებები ფარულ ცვლადებს არ შეიცავენ.

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

Show Comments Hide Comments

4 thoughts on მოკლედ კვანტური მექანიკის შესახებ

  1. berika ამბობს:

    დავესწარი გია დვალის ლექციას და იქ გავიგე რომ შავი ხვრელი კვანტური ობიექტია. ანუ არ არის ნიუტონისეული მაკრო ობიექტი. და ამ ფორმულირებით აიხსნება მისი ბერი უცნაური თვისება და პარადოქსი.
    როგორც ვიცი შავი ხვრელის როგორც სიჩქარე, ისე მისი მდებარეობაც ცნობილია.
    თუ შეგიძლიათ მიპასუხოთ როგორ მოხდა კვანტური ობიექტის ერთდროულად სიჩქარისა და მდებარეობის განსაზღვრა? ეს არ ეწინააღმდეგება კვანტურ მექანიკას?

  2. უშუალოდ შავი ხვრელის თვისებები არც არავის გაუზომია, მისი არსებობის შესახებ გარემოზე ხვრელის ზემოქმედებით გამოწვეული ეფექტების მიხედვით ვგებულობთ… აღსანიშნავია, რომ ტერმინ კვანტური შავი ხვრელის ქვეშ უმძიმესი ელემენტარული ნაწილაკი(მაქსიმონი ან პლანკეონი, როგორც მას უწოდებენ) იგულისხმება(გრავიტაციულ რადიუსზე მცირე ტალღის სიგრძით), რომლის სიცოცხლის ხანგრძლივობა უკიდურესად მცირეა, რაც მის აღმოჩენას ძალიან აძნელებს. ამაჩქარებელში ასეთი ხვრელის მისაღებად ჯერჯერობით მიწვდომელი ენერგიაა საჭრო…

  3. NN ამბობს:

    გმადლობთ, ძალიან საინტერესოა!

  4. გოგა ამბობს:

    მოკლედ ასეთი ექსპერიმენტებით მმეცნიერუულადაც შეიძლება ღმერთი არსებობის ან არ არსებობის დამტკიცება.. ამისთვის ეალიან ბევრი ალბერტის სიცოცხლე დასჭირდება სამყაროს :))
    სრულიად მარტივში სირთულის ძებნას გავს ამგვარი თეორიები და მექანიკები..

კომენტარის დატოვება

თქვენი ელფოსტის მისამართი გამოქვეყნებული არ იყო. აუცილებელი ველები მონიშნულია *