Квантовата теория е теоретичната основа на съвременната физика, която обяснява природата и поведението на материята и енергията на атомно и субатомно ниво. Природата и поведението на материята и енергията на това ниво понякога се наричат квантова физика и квантова механика.
Организациите в няколко страни дори отделят значителни ресурси за разработването на квантово изчисление, което използва квантовата теория за драстично подобряване на изчислителните възможности отвъд това, което е възможно с днешните класически компютри.
През 1900 г. физикът Макс Планк представя своята квантова теория пред Германското физическо дружество. Планк иска да открие причината радиацията от светещо тяло да променя цвета си от червено до оранжево и накрая до синьо с повишаване на температурата. Той открива, че като направи предположението, че енергията съществува в отделни единици по същия начин като материята, а не просто като постоянна електромагнитна вълна, както се е предполагало, и следователно е количествено измерима, може да намери отговор на въпроса си. Съществуването на тези единици става първото предположение на квантовата теория.
Планк написва математическо уравнение, включващо фигура, за да представи тези отделни единици енергия, които нарича кванти. Уравнението обяснява феномена много добре. Планк установява, че при определени дискретни температурни нива (точни кратни на основна минимална стойност), енергията от светещо тяло ще заема различни области от цветовия спектър. Планк предполага, че има теория, която тепърва ще се появява от откриването на квантите, но всъщност самото им съществуване предполага напълно ново и фундаментално разбиране на законите на природата. Планк печели Нобелова награда по физика за своята теория през 1918 г., но разработките на различни учени за период от тридесет години допринасят за съвременното разбиране на квантовата теория.
Развитието на квантовата теория
- През 1900 г. Планк прави предположението, че енергията се състои от отделни единици или кванти;
- През 1905 г. Алберт Айнщайн теоретизира, че не само енергията, но и самото излъчване е квантувано по същия начин;
- През 1924 г. Луи дьо Бройл предполага, че няма фундаментална разлика в състава и поведението на енергията и материята. На атомно и субатомно ниво и двете могат да се държат така, сякаш са направени от частици или вълни. Тази теория става известна като принципа на двойствеността на вълната и частицата: елементарните частици от енергия и материя се държат в зависимост от условията като частици или вълни;
- През 1927 г. Вернер Хайзенберг предполага, че прецизното едновременно измерване на две допълващи се стойности - като позицията и импулса на субатомната частица - е невъзможно.
Противно на принципите на класическата физика, тяхното едновременно измерване е неизбежно погрешно. Колкото по-точно се измерва една стойност, толкова по-неправилно ще бъде измерването на другата стойност. Тази теория става известна като принципа на несигурността, което подтиква известния коментар на Алберт Айнщайн „Бог не играе на зарове“.
Копенхагенската интерпретация и Теорията за многото светове
Двете основни интерпретации на последиците от квантовата теория за природата на реалността са интерпретацията от Копенхаген и теорията за многото светове. Нилс Бор предполага Копенхагенската интерпретация на квантовата теория, която твърди, че частицата е каквото и да бъде измерена (например вълна или частица), но не може да се приеме, че има специфични свойства или дори да съществува, докато се измерва. Накратко, Бор казва, че обективната реалност не съществува. Това се превежда като принцип, наречен суперпозиция, който твърди, че докато не знаем какво е състоянието на всеки обект, той всъщност е във всички възможни състояния едновременно, стига да не търсим да проверим.
За да илюстрираме тази теория, можем да използваме известната и донякъде жестока аналогия с котката на Шрьодингер. Първо, имаме жива котка и я поставяме в дебела оловна кутия. На този етап няма съмнение, че котката е жива. След това хвърляме флакон с цианид и запечатваме кутията. Не знаем дали котката е жива или цианидната капсула се е счупила и котката е умряла. Тъй като не знаем, котката е едновременно мъртва и жива, според квантовия закон - в суперпозиция на състояния. Едва когато отворим кутията и видим в какво състояние е котката, суперпозицията се губи и котката трябва да е или жива, или мъртва.
Второто тълкуване на квантовата теория е Теорията за многото светове (или теорията за Мултивселената). Тя твърди, че веднага щом съществува потенциал всеки обект да бъде в каквото и да е състояние, вселената на този обект се трансформира в поредица от паралелни вселени, равна на броя на възможните състояния, в които обектът може да съществува, като всяка вселена съдържа уникално единствено възможно състояние на този обект. Освен това съществува механизъм за взаимодействие между тези вселени, който позволява всички състояния да бъдат достъпни по някакъв начин и всички възможни състояния да бъдат засегнати по някакъв начин. Стивън Хокинг и Ричард Файнман са сред учените, които са изразили предпочитание към Теорията за многото светове.
Влиянието на квантовата теория
Въпреки че учените през миналия век са се противопоставяли на изводите на квантовата теория, Планк и Айнщайн сред тях, принципите ѝ многократно са били подкрепяни от експерименти, дори когато учените са се опитвали да ги опровергаят. Квантовата теория и Теорията на относителността на Айнщайн формират основата на съвременната физика. Принципите на квантовата физика се прилагат във все по-голям брой области, включително квантова оптика, квантова химия, квантово изчисление и квантова криптография.
Квантовата физик като ключ към тайните на човешкото поведение
Човешкото поведение е енигма, която очарова много учени. Има много дискусии относно ролята на вероятността в обяснението на това как работят нашите умове. Вероятността е математическа рамка, предназначена да ни каже колко вероятно е да се случи дадено събитие – и работи добре в много ежедневни ситуации. Например, тя описва резултата от хвърляне на монета като ½ – или 50% – тъй като хвърлянето на ези или тура е еднакво вероятно.
И все пак изследванията показват, че човешкото поведение не може да бъде напълно уловено от тези традиционни или „класически“ закони на вероятността. Може ли вместо това да се обясни с начина, по който работи вероятността в по-мистериозния свят на квантовата теория? Математическата вероятност също е жизненоважен компонент на квантовата теория, клонът на физиката, който описва как природата се държи в мащаба на атомите или субатомните частици. Въпреки това, както ще видим, в квантовия свят вероятностите следват много различни правила.
Откритията през последните две десетилетия хвърлят светлина върху решаващата роля на „квантовостта“ в човешкото познание – как човешкият мозък обработва информация, за да придобие знание или разбиране. Тези открития също имат потенциални последици за развитието на изкуствения интелект (AI).
На ежедневно ниво може да изглежда, че човешкото поведение не е последователно, защото често нарушава правилата на класическата теория на вероятностите. Въпреки това изглежда, че това поведение отговаря на начина, по който работи вероятността в квантовата механика.
Наблюдения от този вид са накарали когнитивния учен Джеръм Бусемайер и много други да признаят, че квантовата механика може като цяло да обясни човешкото поведение по по-последователен начин.
Въз основа на тази удивителна хипотеза в областта на когнитивните науки възниква ново изследователско поле, наречено „квантово познание“.
Как е възможно мисловните процеси да се диктуват от квантовата теория
Нашият мозък работи ли като квантов компютър? Все още никой не знае отговорите, но емпиричните данни категорично показват, че нашите мисли следват квантови правила.
Коментари