Kvantu fizikas pamati 5 minūtēs! (iesācējiem, kuri nedaudz apguvuši fiziku un ķīmiju pamatskolas līmenī). Dzīvības rašanās uz Zemes

Kvantu fizika ir bezgala aizraujoša zinātne. Diemžēl latviešu valodā par šo zinātnes nozari samērā maz populārzinātnisku grāmatu. Šeit aprakstītie eksperimenti vidusmēra lasītājam saprotamā formā paskaidro tās lietas, kuru apgūšanai parasti vajadzīgi mēneši un pat gadi. Domājams, ka šīs zināšanas būs noderīgas tiem, kuri mēģina izprast kvantu teoriju un kvantu mehāniku.

Kas ir kvantu fizika  Vjačeslava Kaščejeva lekcija

квантовая физика-1

Тайны квантовой физики – Да будет Жизнь

Eksperiments ar Junga dubultspraugu

junga-dubultsprauga

Jau 1803 gadā Tomass Jungs gaismas staru virzīja uz plāksni, kurā bija izgriezti divi vertikāli caurumi. Bija sagaidāms, ka uz pretējā ekrāna, uz kura kritīs šis stars, projicēsies divas līnijas, tomēr tā vietā veidojās divu viļņu interferences (pārklāšanās) aina. Secinājums – gaismai piemīt viļņu īpašības. 20 un 21 gs turpinot pētīt šīs īpašības, noskaidrojās, ka ne tikai gaisma, bet arī jebkura elementārā daliņa un pat dažas molekulas uzrāda viļņu īpašības. Tomēr, kad pie šķēršļa novietoja ierīci, kura reģistrēja katras daliņas izplūšanu caur šķērslī izgrieztajiem caurumiem, uz projekcijas ekrāna parādījās tikai divas līnijas, it kā elementārdaliņas būtu zaudējušas savas viļņu īpašības, tai mirklī, kad tās reģistrēja (novēroja). Šo eksperimentu atkārtoja neskaitāmas reizes, un ikreiz, tiklīdz elementārdaliņu izplūšana caur spraugām tika fiksēta (novērota, izmērīta), tās sāka uzvesties kā matērija, nevis viļņi. Teorētiskais pamatojums latviešu valodā nepilnīgs, tāpēc skat : Подробно, Skatīt  Video

Heizenberga nenoteiktības pricips

formula

Pateicoties 1927 gada atklājumiem tūkstoši zinātnieku un studentu atkārtoja vienu un to pašu vienkāršo eksperimentu, laižot lāzera staru caur spraugu, kuru bija iespējams sašaurināt. Loģiski, ka lāzera stars uz projekcijas ekrāna kļuva arvien šaurāks, līdz ar spraugas sašaurināšanos. Tomēr kādā mirklī, kad sprauga kļuva pietiekoši šaura, projicētais stara attēls pēkšņi sāka kļūt platāks un platāks, zaudējot intensitāti un izplūstot pa ekrānu, līdz sprauga aizvērās pavisam. Tas ir pats uzskatāmākais kvantu fizikas kvintesences – Vernera Heizenberga nenoteiktības pricipa pierādījums: Jo precīzāk mēs mēģinām noteikt elementārdaliņas atrašanās vietu, jo neprecīzāki kļūst tās viļņu īpašību mērījumi, vai, kā šai gadījumā – jo precīzāk mēs izmēram, ar spraugu kas sašaurinās, fotonu koordinātes, jo neprecīzāk varam noteikt šo fotonu impulsu. (un otrādi!) Diemžēl latviešu valodā teorētiskais pamatojums šim pricipam stipri nepilnīgs, tāpēc skat šeit: Подробно Skatīt Vidео

Supravadītspēja un Meisnera efekts

supravaditspeja

1933 gadā Valters Meisners atklāja, ka līdz absolūtai nullei (−273,15 °C jeb −459,67 °F) atdzesētu supravadītāju magnētiskais lauks izplūst aiz tā robežām. Ja parastu magnētu uzliek uz alumīnija plāksnes un pēc tam to stipri atdzesē ar šķidro slāpekli, magnēts, pārvarot gravitācijas lauku, uzlidos un paliks karājoties virs plāksnes, jo uz to iedarbosies no atdzesētās alumīnija plāksnes „atstarotais”, vai izplūstošais, tā paša magnēta, tās paša polaritātes magnētiskais lauks. Teorētiskais pamatojums: Sīkāk ; Skatīt Vidео

Supraplūstamība

supraplustamiba

1938 gadā Petrs Kapica atdzesēja gāzi hēliju līdz temperatūrai, kas tuva absolūtajai nullei. Gāze kļuva par šķidrumu, bet šim šķidrumam nebija viskozitātes (stīgrības). Tas nozīmē, ka to nebija iespējams ieliet vaļējā traukā, jo tas pa trauka sienām tecēja ārā. Faktiski, kamēr hēlijs bija pietiekoši atdzesēts, tam nebija šķēršļu, kas kavētu tā izplūšanu, neatkarīgi no tā, kādas formas vai izmēra nenoslēgtā traukā to mēģinātu ieliet. Šī gāze, atrodoties šķidrā stāvoklī, intensīvi iztvaiko visā tilpumā, līdz brīdim kamēr sasniedz noteiktu temperatūru – 2 Kelvina grādi. Sasniedzot šo atdzišanas temperatūru sāk izpausties supraplūstamības efekts un He pārstāj iztvaikot.)  20 gs beigās un 21 gs sākumā supraplūstamība tika atklāta arī ūdeņradim un citām gāzēm. Teorētiskais pamatojums: Подробно,  Skat: Vidео

 Kvantu tuneļefekts

kvantutunelefekts

1960 gadā Aivors Džaievers veica eksperimentus ar supravadītājiem, kas izolēti viens no otra ar mikroskopisku elektrisko strāvu nevadoša alumīnija oksīda kārtiņu. Noskaidrojās, ka daļa elektronu vienalga izplūst caur šo izolāciju. Šis eksperiments pierādīja, ka ne tikai elektroniem, bet jebkurām mikrodaliņām piemīt gan materiālās, gan viļņu īpašības. Viļņi (vienlaicīgi arī daliņas) var plūst caur šķēršliem, ja šo šķēršļu lielums mazāks par viļņu garumu. Jo šaurāks šķērslis, jo biežāk daliņas tam izplūst cauri. Teorētiskais pamatojums: sīkāk   skatīt: Video

Sapītie kvantu stāvokļi un teleportācija

sapitie-kvantu-stavokli-un-teleportacija

1982 gadā Alens Aspē diviem vienlaicīgi izstarotiem fotoniem ar savstarpēji nesaistītiem  mēraparātiem izmērīja šo fotonu spinu (rotācijas virzienu; polarizāciju). Izrādījās, ka izmērot spinu vienam fotonam, tas ietekmē arī otra fotona spina stāvokli – šis spins klūst pretēji vērsts. Eksperiments pierādīja elementārdaliņu sapīto kvantu stāvokli un teleportācijas iespējamību. 2008 gadā zinātniekiem izdevās izmērīt sapītos kvantu fotonus, kas atradās viens no otra 144 km attālumā, bet neskatoties uz attālumu, šo fotonu savstarpējā ietekme bija momentāla, it kā tie atrastos vienlaicīgi vienā vietā un starp tiem neeksistētu telpa. Tika pierādīts, ka šādi fotoni, sapītā kvantu stāvoklī, ietekmēs viens otru acumirklīgi, pat ja tie atradīsies pretējos Visuma punktos, lai arī šiem fotoniem attāluma fiziskai pārvarēšanai  vajadzēs desmitiem miljardu gadu. Fotonu (gaismas) ātrums vakuumā, kā zināms, ir aptuveni 300000 km/s. Teorētiskais pamatojums: lasīt ; Подробно,  skatīt: Vidео ; Video

Zenona kvantu efekts un laika apstāšanās

zenon

1989 gadā zinātnieku grupa Devida Vainlenda vadībā novēroja berilija jonu pārvietošanās ātrumu starp berilija atoma līmeņiem. Izrādījās, ka jau pats mērīšanas fakts, šīs pārejas ātrumu samazināja. 21 gs sākumā, līdzīgā eksperimentā ar rubīdija atomiem, izdevās sasniegt 30-kārtīgu palēnināšanos. Šie eksperimenti apstiprināja Zenona postulātu par to, ka pats nestabilas daliņas mērīšanas fakts, samazina šīs daliņas sabrukšanas ātrumu, un teorētiski to var pat pilnīgi apstādināt.

Teorētiskais pamatojums: skatīt  Подробно, Skatīt: Vidео angl. video krieviski

Kvantu dzēšana ar atliktu izvēlni

kvantu-dzesana-ar-atliktu-izvelni

1999 gadā zinātnieku grupa Marlana Skali vadībā pētīja izstaroto fotonu kūli starp divām spraugām, aiz kurām stāvēja prizma, kas konvertēja katru izstaroto fotonu divos fotonos sapīto kvantu stāvoklī un sadalīja tos divos kūļos, no kuriem viens tika izstarots uz pamatdetektoru, bet otrs uz 50%atstarotājsistēmu ar vairākiem detektoriem. Izrādījās, –  ja fotons no otrā kūļa sasniedza spraugu, no kuras tas bija izlidojis, un to fiksēja attiecīgais detektors, tad pamatdetektors fiksēja šī fotona pāri kā daliņu. Bet ja fotons no otrā kūļa nesasniedza  spraugu, no kuras tas bija izlidojis, un to fiksēja cits detektors, tad pamatdetektors fiksēja šo fotonu pāri kā vilni. Izstaroto fotonu kūļa mērīšanas fakts ietekmēja arī ar prizmu sadalītos fotonus sapīto kvantu stāvoklī, pie kam, tādā veidā, ka rezultāti tika iegūti neatkarīgi no attāluma un laika, jo otrā kūļa detektoru sistēma fiksēja fotonus pēc pamatdetektora rādījumu nolasīšanas, it kā nākotnes notikumi ietekmētu  notikumus pagātnē. Teorētiskais pamatojums: lasīt angl.,  skatīt:  Vidео angl.) ;  Video kriev

Kvantu superizolācija un Šrēdingera kaķis

kvantu-superizolacija-un-sredingera-kakis

2010 gadā Ārons O’Konnels ievietoja nelielu metālisku plāksnīti vakuuma kamerā, kuru atdzesēja gandrīz līdz absolūtai nullei. Pēc tam viņš pievadīja impulsu, kas plāksnītei lika vibrēt. Mērinstruments parādīja, ka plāksnīte vibrē un atrodas miera stāvoklī vienlaicīgi. Ar šo eksperimentu tika pierādīts superizolācijas princips ne tikai elementārdaliņām, bet arī makroobjektiem. Bez ārēju novērojumu iespējām, kad nenotiek kvantu sistēmu mijiedarbība un tās ir pilnīgi izolētas, objekts var vienlaicīgi atrasties neierobežoti visos iespējamos stāvokļos, zaudējot savas materiālās īpašības.

Pamatojoties uz šiem novērojumiem, labākai to izpratnei, tika izdomāts stāsts par Šrēdingera kaķi, kurš iesprostots kastē ar saindētu adatu. (Šāds nežēlīgs eksperiments nekad nav izdarīts). Kaķis var uzdurties uz adatas un nomirt, vai arī neuzdurties – un palikt dzīvs. Kamēr netiek veikti novērojumi, kastē ieslēgtais kaķis vienlaicīgi ir gan dzīvs, gan miris. Tiklīdz eksperimentētājs atvērs kasti un ieskatīsies tajā, realitāte kritīs vai nu vienā vai otrā iespējamā variantā. Teorētiskais pamatojums: lasīt ; Подробно,  skatīt: Vidео

Kvantu Češīras kaķis

kvantu-cesiras-kakis

2014 gadā Tobiass Denkmairs un viņa kolēģi sadalīja neitronu plūsmu divos kūļos un veica virkni sarežģītu mērījumu. Izrādījās, ka pie zināmiem priekšnosacījumiem, neitroni var atrasties vienā kūlī , bet šo neitronu magnētiskais moments – citā kūlī. Ar šo eksperimentu tika apstiprināts Luisa Kerola aprakstītā Češīras kaķa smaida paradokss, kad daliņas un to īpašības var atrasties dažādās telpas vietās. Ja atceramies, tad Alise Brīnumzemē kokā ieraudzīja vispirms kaķa smaidu un tikai vēlāk pašu kaķi.

Teorētiskais pamatojums:  Подробно, skatīt: Vidео angl ; video kriev

Kas ir melnie caurumi: Vjačeslava Kaščejeva lekcija

Visas Vjačeslava Kaščejeva lekcijas

Kārlis Podnieks. Kvantu mehānika – lejuplādēt:https://yadi.sk/i/NOin9u8W3CDfNP

Vjačeslavs Kaščejevs. Kvantu mehānika – lejuplādēt: https://yadi.sk/i/dldV86QP3CDg7o

Tulkojis Imants Ločmelis

lejupielādēt doch: https://yadi.sk/i/4wkbB6FE3B5sUz

Kad esam sapratuši kvantu mehānikas pamatus, varam mēģināt izprast, kā radās dzīvība uz Zemes, tais, tālajos, aizvēsturiskajos laikos

Dzīvības rašanās.

Pirmkārt, jāsaprot, ka tad, kad matērija ir sašķelta līdz elementārdaļiņu līmenim − elektronu, pro­tonu un neitronu valstībai, klasiskie Visuma likumi vairs nav īsti spēkā. Makss Planks atklāja, ka elektroni, protoni un neitroni darbojas gan kā daļiņas, gan kā viļņi. Tas šķiet savādi un pretru­nīgi. Daļiņām ir stingri izteiktas orbītas un ceļi, bet viļņi ir izplūdušāki, mazāk izteikti, bez konkrētām koordinātēm. Šīs elementārdaļiņas darbojas abējādi. Tām ir potenciāls būt gan vilnim, gan daļiņai, un te mēs nonākam pie nākamā punkta. Heizenberga ne­noteiktības principa.

Heizenbergs pamatā apgalvo, ka nekas nav droši zi­nāms, kamēr nav novērots, un tam ir saistība arī ar elektroniem, protoniem un neitroniem.

Heizenberga principa labākais piemērs ir Šrēdingera kaķis. Ielieciet kaķi slēgtā kastē un pievienojiet pie ierīces, kas var to jebkura brīdi noindēt vai nenoindēt. Pilnīgi ne­jaušības varā. Dzīvos vai mirs. Heizenbergs apgalvo, ka šajā si­tuācijā, kad kaste ir aizvērta, kaķis ir potenciāli dzīvs un miris rei­zē. Tikai, atverot kasti un ielūkojoties iekšā, realitāte izvēlas vienu vai otru stāvokli. Dzīvs vai miris. Izklausas vairāk pēc filosofijas nevis eksaktās zinātnes.   Varbūt tāpēc, ka mēs runājām par kaķi. Taču elementārdaļi­ņu līmenī tas ir pierādīts klasiskajā eksperimentā ar divām atverēm sienā.

Te arī nonākam pie trešā punkta. Ņemam divas papīra lapas, uz vienas uzzīmējam divas atveres un paceļam abas lapas, vienu aiz otras.

Iedomājieties, ka šī papīra lapa ir betona sie­na un atveres tajā ir divi logi. Ja jūs paņemtu ieroci un izšautu ložu krusu caur abam atverēm, jūs iegūtu noteiktu rakstu uz pretējās sienas. Šādi.

sprauga-1.JPG

Sauksim to par difrakcijas rakstu A. Šādi caur atverēm izkļūtu lodes vai daļiņas.

Pēc tam ieroča vietā ņemsim lielu prožektoru un uzspīdināsim gaismu uz sienas, lai tā plūst caur abām atverēm. tā ka gaisma pār­vietojās viļņos, mēs uz tālākās sienas iegūsim citādu rakstu.

sprauga-2.JPG

Šo rakstu veido caur kreiso un labo logu plūstošā gaismas viļņu savstarpējā interference. Tāpēc sauksim to par interferen­ces rakstu B, ko izraisa viļņi.

Bet tagad ņemsim elek­tronu pistoli un izšausim caur abām atverēm vienu elektronu rindu. kādu rakstu iegūsim?

Ja elektroni tiks šauti kā lodes, tad droši vien difrakcijas rak­stu A.

Bet laboratorijas eksperimentos tiek iegūts otrs. Interferences raksts B. − Viļņu raksts. tāda gadījuma elektroni tiek šauti no pistoles ne tā ka lodes, bet līdzīgi kā gaisma no luk­tura, kas ceļo gaismas viļņos un veido B rakstu. Tātad elektroni pārvietojās kā viļņi. Bet tikai tad, kad neviens patiesībā neredz, kā elektroni iziet caur atverēm. Kādā citā eksperimentā zinātnieki pie vienas atveres novie­toja mazu signālierīci. Tā iepīkstējās ikreiz, kad fiksēja, kā elek­trons iziet caur atveri, mērot un novērojot elektrona ceļu garām detektoram. Kāds bija raksts otrā pusē, kad šī ierīce bija ieslēgta?

Tam nevajadzētu mainīties, vai ne?

Lielāka mēroga pasaulē jums būtu taisnība. Taču ne elemen­tārdaļiņu valstībā. Pēc ierīces ieslēgšanas raksts uzreiz pārvērtās par difrakcijas rakstu A.

Vai tiešām tik vienkārša darbība kā mērīšana izmainīja rakstu?

Kā jau paredzēja Heizenbergs. Lai gan tas varbūt šķiet neiespējami, tā ir. Pārbaudīts vēl un vēlreiz. Elektroni visu laiku pastāv vienlaikus viļņu un daļiņu stāvoklī, kamēr kāds nesāk tos mērīt. Pats mērīšanas process piespiež to iekrist vienā vai otrā realitātē.

Ja elementārdaļiņas veido atomus, − bet atomi veido pasauli, ko mēs pazīstam, sataustam un sajūtam, kur ir ro­beža starp kvantu mehānikas rēgaino valstību un mūsu − reālo priekšmetu − pasauli?

Atkal vienīgā iespēja likt potenciālām krist ir, liekot kaut kam to mērīt. Šādi mērīšanas rīki pastāvīgi atrodas apkārtējā vidē. Tā var būt viena daļiņa, kas saskrienas ar otru, gaismas fotona atsi­tiens pret kaut ko. Vide pastāvīgi mēra elementārdaļiņu pasauli, liekot potenciālam krist stingrajā realitātē. Piemēram, paskaties uz savām rokām. Kvantu līmenī elementārdaļiņas, kuras veido tavus atomus, darbojas saskaņā ar izplūdušiem kvantu likumiem, bet tas izvēršas uz āru, uz miljardu atomu pasauli, kas veido tava pirksta nagu. Šie atomi grūstās, sitās cits pret citu un mijiedarbo­jas − mērot cits citu −, piespiežot potenciālu nonākt vienā vai otrā fiksētā realitātē.

Tas izklausas ērmīgi, taču vēl esam tik tikko pieskārušies kvantu teorijas izplūdušās pasaules virsmai. Tiek iz­laistas tādas teorijas kā atrašanās vietas nenoteiktība, laika tuneļi un daudzie Visumi. Tur jau sākas īstas dīvainības.

Lai saprastu, kā radās dzīvība pagaidām pietiek ar šo triju punktu izpratni.

  1. Elementārdaļiņas pastāv kvantu po­tenciāla stāvoklī.
  2. Šā potenciāla izjaukšanai vajadzīgs mērīšanas rīks.
  3. Un šos mērījumus nepārtraukti veic vide, lai fiksētu mūsu realitāti.

Kas ir DNS? Nekas vairāk kā proteīna mašīna, vai ne? Tā ražo visus pamata būvmateriālu blo­kus šūnām un ķermeņiem. Vienkāršākajā izpratnē. Tad vienkāršosim vēl vairāk. Vai DNS nav tikai ģenētiski ko­di, kas ieslēgti ķīmiskās saitēs? Un kas sarauj šīs saites, ieslēdzot un izslēdzot gēnus?

Elektronu un protonu kustība vai ne!

Un kuriem likumiem paklausa šīs elementārdaļiņas − kla­siskajiem vai kvantu?

Tagad zinām ka kvantu likumiem.

Tātad, ja protons varētu būt divās vietās − A vai B −, ieslē­dzot vai izslēdzot gēnu, kurā vietā tas tiktu atrasts?

Ja tam ir potenciāls būt abās vietās, tad tas ir abās vietās. Gēns ir gan ieslēgts, gan izslēgts. Līdz to kaut kas izmēra.

Un kas to izmēra?

Vide.

Un gēna vide ir…?

Pati DNS molekula.

Pašā pamata līmenī dzīvā šūna darbojas kā mērīšanas ierīce sev pašai. Un tieši šie pastāvīgie šūnu mērījumi ir īstais evolūcijas virzītājspēks. Tie iz­skaidro, ka mutācijas nav nejaušas. Kāpēc evolūcija norit ātrākā tempā, nekā būtu iespējams nejaušības ceļā.

Iedomājies piemēru. Baktērijas, kuras ne­spēj sagremot laktozi, − tās cieš badu, kad tās baro tikai ar laktozi, bet tad pārsteidzoši ātri mutē, izveidojot enzīmu, kas spēj sagremot laktozi. Par spīti astronomiski mazai iespējamībai. Vai tagad var to izskaidrot? Ar tri­ju kvantu principu palīdzību? Sevišķi tad, ja labvēlīgai mutācijai bija nepieciešama tikai viena protona pārvie­tošana no vienas vietas uz citu.

Tatad, ja šis protons varēja būt abās vietās, tad kvantu teorija teiktu, ka tas bija abās vietās. Tāpēc gēns bija gan pirms mutācijas, gan pēc. Tam bija potenciāls starp šiem abiem stāvokļiem. Tad šūna, darbojoties kā kvantu mērīšanas rīks, lika DNS nokrist vienā vai otrā sētas pusē. Izdarīt mutāciju vai neizdarīt. Un, tā ka šūna ir dzīva un to ietekmē vide, tā nosvēra svarus uz vienu pusi, par spīti nejaušībai, lai panāktu labvēlīgo mutāciju. Tagad zinātnieki to sauc par adaptīvo mutāciju. Vide ietek­mēja šūnu, šūna ietekmēja DNS, un notika mutācija, kas bija labvēlīga šūnai. To visu vadīja kvantu pasaules mehānika.

Tas apstiprina terminu “saprātīga radīšana”. Var pat atbildēt uz jautājumu, kas bija šis saprātīgais rādītājs!

Mēs paši! Mūsu pašu šūnas virza evolūciju, reaģē­jot uz vides ietekmi un ietekmejot DNS potenciālu, lai labāk atbil­stu videi. Pēc tam iesaistās Darvina dabiskās izlases princips, lai saglabātu šīs izmaiņas. Bet vēl svarīgāk: Kvantu mehānika izskaidro, kā radās pati pirmā dzīvības dzirksts. Atcerieties, cik maza ir ticamība, ka pirmatnējā zupā ra­dīsies pirmais replicējošais proteīns? Kvantu pasaulē nejaušība nav iekļaujama vienādojumā. Pirmais replicejošais proteīns radās tāpēc, ka tā bija kārtība, kas rodas no haosa. Tā spēja izmērīt un sagraut potenciālu bija pārāka par vienkāršo nejaušo grūstīšanos un saskriešanos, kas valdīja pirmatnējā zupā. Dzīvība sākās tāpēc, ka tā bija labāks kvantu mērīšanas rīks.

(Citāti no Džeimsa Rollinsa grāmatas “Melnais ordenis”)

lejupielādēt doch: https://yadi.sk/d/fCfu0QNc3B5uSz

Advertisements

Komentēt

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Mainīt )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Mainīt )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Mainīt )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Mainīt )

Connecting to %s