Jei galėtumėte susitraukti iki atomo dydžio, ką pamatytumėte?


2022 m. trys fizikai laimėjo Nobelio fizikos premiją už jų darbą „baisaus“ kvantinio susipynimo srityje. Kai kurie kvantų ieškotojai dabar įsivaizduoja Helovino vakarėlį subatominiame pasaulyje. Ten jie tikisi savo akimis patirti keistus kvantinius efektus, kurie jau seniai kursto jų vaizduotę.

Bet kaip atrodytų ir jaustųsi subatominis pasaulis ir kaip ten patektumėte?

Kvantinė sfera

Geros naujienos yra tai, kad kvantinis pasaulis nėra toli. Mes jame gyvename. Kvantinės mechanikos teorija apibūdina visą visatą, įskaitant mums pažįstamą kasdienį pasaulį. Tačiau makroskopiniu lygmeniu keisti kvantiniai efektai yra gana silpni ir sunkiai suvokiami.

Kad lengvai patirtų kvantines keistybes, žmogus turėtų susitraukti iki maždaug atomo dydžio, teigia Minesotos universiteto fizikos profesorius Jimas Kakaliosas. Problema ta, kad visi atomai yra maždaug tokio paties dydžio ir patys negali susitraukti. Žmonės susideda iš maždaug septynių oktilijonų atomų, ir visi šie atomai turėtų susigrūsti vieno atomo dydžio erdvėje. Susitraukęs žmogus būtų neįsivaizduojamai tankus.


Skaityti daugiau: Kas yra kvantinis susipynimas? Fizikas paaiškina Einšteino „baisaus veiksmo per atstumą“ mokslą


“[Humans] turėtų sugalvoti kokį nors būdą, kaip pakeisti pagrindines visatos konstantas, kad pakeistų jų atomų dydį. Jokiu būdu to padaryti“, – sako Kakalios.

Bet kas, jei jums pavyktų išvengti fizikos įstatymų ir susitraukti iki atomo dydžio? „Kai pasieksite tokį dydį, jūsų sąveika su šviesa labai skirsis nuo to, ką paprastai matote“, – sako Kakaliosas. “Mūsų akys galėjo aptikti pavienius fotonus. […] Viskas būtų statiška ir keista, o ne kaip nuolatinis srautas. Pavieniai šviesos fotonai trenktų į akis kaip lietus ant skardinio stogo. Kaip jūs sugebėsite tai apdoroti, labai sunku pasakyti.

Dvi žmogaus akis galima palyginti su mokslininko Thomaso Youngo eksperimentais su dvigubu plyšiu 1800-ųjų pradžioje, kurie garsėja tuo, kad veda mus į kvantinės mechanikos kelią. EksperimentuoseXX amžiuje, mokslininkai siekė nustatyti, ar šviesa yra banga, ar dalelių srautas, ir nustatė, kad šviesa iš tikrųjų veikia ir kaip banga, ir kaip dalelių srautas. Vienoje eksperimento versijoje pro plyšius buvo siunčiamas vienas fotonas ir laikui bėgant ant fotografinės plokštės už barjero susiformavo bangų raštas.

Kai šviesa patenka į mūsų akis subatominiame pasaulyje, fotonas po fotono, „Manau, kad jūs galite pamatyti šį keistą neryškumą ir kurį laiką žiūrėti į ką nors, kol pamatysite numatytąjį modelį, ir net tada modelis bus trukdžių modelis“, – sako Kakalios.

Įsipainiojimas, kuris atsiranda, kai sujungiate dvi identiškas daleles ir atsargiai jas atskiriate, gali būti lengviau stebimas kvantinėje srityje. “Dvi dalelės, – sako Kakaliosas, – būtų apibūdintos viena bangos funkcija, net jei jas atskirtumėte dideliu atstumu. Ir jei ką nors padarysite vienai dalelei, poveikį „akimirksniu“ pajustų kita dalelė, nes jie vis dar aprašomi viena bangos funkcija.

Tačiau Kakalios sako, kad idėja yra nepraktiška, net atsižvelgiant į ateities technologijas.

Mikropasaulis

Mes negalime susitraukti į kvantinę sritį, bet Spiros Michalakis, Caltech matematikos fizikas, kuris buvo mokslo patarėjas Skruzdėlis ir filmo kvantinės sferos išradėjas turi idėją. O kaip kvantinės sferos priartinimas prie mūsų masto?

„Mes gyvename šiame pasaulyje, [and] norime keliauti laiku šiame pasaulyje, o ne mikropasaulyje. Mes norime teleportuotis šiame pasaulyje. Mes norime turėti supergalių šiame pasaulyje Žemėje. Mokslas sako, kad visa tai įmanoma“, – sako Michalakis.

Kvantinė sfera, sako Michalakis, yra tam tikras nulaužiamas „tikrovės šaltinio kodas“. Ir „kvantinė fizika sako, kad jums leidžiama daryti viską, ką galite įsivaizduoti, jei žinote, kaip sujungti dalykus. Jei turite ingredientų ir receptą, galite gaminti viską, ko norite“, – sako Michalakis.

Michalakis numato kvantinės inžinerijos supervalstybių ateitį, kvantinis internetasmaterijos būsenos, sukuriančios mažus „Lego“ realybės kaladėles, ir daug daugiau – visa tai gaunama iš kvantinės sferos.

„Mes norime sukurti makroskopinę kvantinės sferos versiją“, – sako Michalakis.

Tačiau, pasak Stenfordo taikomosios fizikos profesoriaus Hideo Mabuchi, „įmontuota kvantinės mechanikos ypatybė yra ta, kad visi tikrai keisti dalykai vyksta tik po gaubtu – niekada negalėtum su ja tiesiogiai bendrauti. Net jei galėtumėte įsivaizduoti, kad susitraukiate iki atomo dydžio, niekada nepastebėsite ir nepajustumėte dalelės, esančios dviejų skirtingų pozicijų superpozicijoje. […] kaip tai atrodytų ar jaustųsi? Tai nėra kažkas, ko mes esame pasirengę patirti.

Mabuchi skeptiškai vertina, kad bet kokia makroskopinė natūralaus dydžio technologija kada nors elgsis taip, kaip kvantinė mechaninė. „Ilgą laiką turėtumėte puikiai izoliuoti didelius dalykus nuo bet kokių aplinkos trukdžių“, – sako Mabuchi.

Tačiau su virtualia realybe Mabuchi mano, kad galėtume turėti pažangios mikroskopijos versiją. “Tu galėtum […] naudokite šią mokslinę įrangą ir surengkite Helovino vakarėlį atominiame pasaulyje, bent jau pagal įgaliotinį. Tai kažkas aš […] gali įsivaizduoti, kad vieną dieną gali tapti realybe“, – sako Mabuchi.

Nors galbūt norėtume trauktis kaip Ant-Man, virtualios realybės technologijos dar nėra. Arčiausiai tokios patirties kaip kvantiškai keistas pasaulis galime pasiekti pasivaikščiojimas miške naktį.

„Ar jūs kada nors buvote miške be mėnulio naktį, vaikščiodami aplinkui? – klausia Lucas Wagner, Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign fizikos profesorius. „Tavo akys tarsi prisitaiko, ir tu gali tarsi pamatyti dalykus, [but] jie tiesiog labai labai tamsūs. Daiktų kraštai pradeda neryškiai ir atrodo, kad jie šiek tiek juda, – sako jis. – Manau, kad atsižvelgiant į tai, ką žinau apie fiziką, viskas būtų taip. [in the quantum realm].

!function(f,b,e,v,n,t,s)

{if(f.fbq)return;n=f.fbq=function(){n.callMethod?

n.callMethod.apply(n,arguments):n.queue.push(arguments)};

if(!f._fbq)f._fbq=n;n.push=n;n.loaded=!0;n.version=’2.0′;

n.queue=[];t=b.createElement(e);t.async=!0;

t.src=v;s=b.getElementsByTagName(e)[0];

s.parentNode.insertBefore(t,s)}(window, document,’script’,

‘https://connect.facebook.net/en_US/fbevents.js’);

fbq(‘init’, ‘341891263143383’);

fbq(‘track’, ‘PageView’);

(function(d, s, id) {
var js, fjs = d.getElementsByTagName(s)[0];
if (d.getElementById(id)) return;
js = d.createElement(s); js.id = id;
js.src = “//connect.facebook.net/en_US/sdk.js#xfbml=1&version=v2.4”;
fjs.parentNode.insertBefore(js, fjs);
}(document, ‘script’, ‘facebook-jssdk’));