Tag Archives: kvantna fizika

Istraživači su ostvarili kvantno pamćenje u objektima udaljenim više od 50 km

Dok kvantni računari mogu raditi zanimljive stvari bez namjenske memorije, memorija bi pružila veliku fleksibilnost u pogledu vrsta algoritama koje bi mogli pokrenuti i kako kvantni sistemi mogu komunicirati jedni s drugima i s vanjskim svijetom. Izgradnja kvantne memorije je izuzetno izazovna, jer i čitanje i pisanje iz nje moraju biti izuzetno efikasni i precizni, a memorija mora raditi nešto što je netipično za kvantne sisteme: držati svoje stanje za značajno vrijeme.

No ako riješimo probleme, kvantna memorija nudi prilično neobična svojstva. Proces pisanja u kvantnu memoriju vrlo je sličan procesu kvantne teleportacije, što znači da se memorija potencijalno može prenijeti između različitih računarskih sredstava. A budući da je uređaj za pohranu kvantni objekt, postoji mogućnost da se dva qubita memorije na različitim lokacijama mogu ispreplesti, u suštini delokalizirajući vrijednost qubita.


U demonstraciji tog obećanja, kineski su istraživači ugradili kvantnu memoriju u objektima udaljenim više od 20 kilometara. Zasebno su izveli i zapetljavanje s fotonima koji su prešli 50 kilometara optičkog kabla. Ali proces prijenosa i umetanja dolazi s nesretnom nuspojavom: traje toliko dugo da memorija u međuvremenu izgubi koherenciju.

Kvantni grad
Osnovni obrisi eksperimenta poprilično su jasni za postupak koji je pomalo mutan. Ovdje se koriste kubiti mali oblaci hladnih atoma (oko stotinu miliona atoma za svaki). Smješteni su u stanje u kojem se atomi ne razlikuju iz kvantne perspektive i tako se mogu tretirati kao jedan kvantni objekt. Budući da će se kvantno stanje rasporediti istovremeno po svim atomima, to pruža malo veću stabilnost od ostalih oblika kvantne memorije. Stanje atomskog oblaka čita se i piše pomoću fotona, a atomi se postavljaju u optičku šupljinu koja hvata ove fotone. To osigurava da fotoni imaju mnogo mogućnosti za interakciju s atomskim oblakom, povećavajući efikasnost operacija.

Kad se stanje memorije postavi fotonom pisanja, atomski kolektiv emitira drugi foton što ukazuje na uspjeh. Polarizacija ovog fotona sadrži podatke koji se odnose na stanje atoma, pa služi kao sredstvo za zapetljavanje memorije.

Nažalost, taj foton je na talasnoj dužini koja i nije baš korisna jer se teži gubljenju tokom prijenosa. Dakle, istraživači su žrtvovali malo efikasnosti za puno korisnosti. Koristili su uređaj koji pomiče valnu dužinu fotona s bliskog infracrvenog na valnu dužinu koja se koristi u standardnim komunikacijskim vlaknima. Oko 30 posto fotona izgubljeno je, ali preostali se mogu prenijeti s visokom učinkovitošću preko postojećih vlakana (pod uvjetom da se tamo postavi pravi hardver gdje vlakno završi).


Postoje gubici zbog filtriranja buke i uvlačenja fotona u vlakno, ali cijeli je proces efikasan preko 30 posto, za kraj. U ovom slučaju, dva kraja su bila udaljena 11 km, na Kineskom univerzitetu za nauku i tehnologiju i softverskom parku Hefei.

Autori su stvorili dva kbita kvantne memorije, generisali fotone iz oba i poslali te fotone zasebnim kablovima u Software Park. Tamo su fotoni poslani kroz uređaj koji im je onemogućavao razlikovanje, zapetljavanje. Pošto su oni zauzvrat bili isprepleteni s kvantnom memorijom koja ih je proizvela, dva qubita memorije su tada bila isprepletena. Dok su boravili u istom laboratoriju, geometrija vlakana mogla je biti proizvoljna – bila je ekvivalentna isprepletanju dva bita memorije koja su bila udaljena 22 km.

To je veliki korak u odnosu na prethodni rekord od 1,4 km.

Idite dugo
Kako bi malo rastegnuli stvari, istraživači su se tada okrenuli dugom kalem kabelu. Dva fotona poslana su niz kabel i potom manipulirana tako da je bilo nemoguće odrediti koji su put krenuli kablom. To ih je opet zbunjivalo, a time i uspomene koje su u prvi plan emitirale fotone. Proces je zahtijevao da se prati faza dolaznih fotona, što je znatno teže, a samim tim i smanjena je ukupna efikasnost.

Za vlaknastu stazu dugu 50 km, to je dovelo do prilično niske efikasnosti, i to između 10-4. Što znači da se vrijeme za postizanje posrnuća povećalo – u ovom slučaju preko pola sekunde. I to je problem, jer je tipični životni vijek qubita pohranjenog u ovoj memoriji 70 mikrosekundi, što je puno kraće od procesa zamicanja. Dakle, pristup definitivno spada u kategoriju “nije baš spremno za proizvodnju”.

I to je nesretno jer pristup otvara niz vrlo intrigantnih mogućnosti. Jedan je da bi širenje qubita kroz dva objekta ovom delokalizacijom moglo omogućiti da se izvede jedan kvantni proračun na udaljenim objektima – moguće u onima koji koriste različit hardver koji ima različite snage i slabosti. A istraživači napominju da postoji tehnika koja se naziva zamjena zamke koja može još više proširiti udaljenost između memorija-qubita – pod uslovom da se kubiti drže u svom stanju. Ali ako sve to uključi neku količinu pogreške, ta će se greška brzo nagomilati i učiniti čitavu stvar beskorisnom.


Ništa od ovoga ne bi smjelo umanjiti postignuća koja su ovdje prikazana, ali pokazuje koliko još uvijek moramo ići. Neučinkovitost koja se pojavljuje na svakom koraku procesa, svaki predstavlja poseban inženjerski i / ili fizički izazov s kojim se moramo suočiti prije nego što bilo što od toga bude primjenjivo u stvarnom svijetu.

Izvor: Nature

Koja je veza između metafizike i kvantne fizike?

Istina je da se metafizika i kvantna mehanika donekle preklapaju. Preciznije, tumačenje kvantne mehanike (posebno problem mjerenja) nije rješeno, tako da nema konsenzusnog pogleda na ispravno tumačenje kvantne mehanike. Glavni problem je u tome što su sva različita tumačenja (kao što su Kopenhagen ili Everett) u skladu sa istim skupom podataka. Kao rezultat toga, osnovna (uglavnom neprovjerena) metafizička pretpostavka koju fizičari (i filozofi) favoriziraju, uopšteno određuje koja tumačenja oni preferiraju.

Max Tegmark je uticajan advokat za tumačenje kvantne mehanike Evereta ili mnogih svjetova. Kao i drugi koji favorizuju tumačenje Evereta, Tegmark vjeruje da je osnova realnosti matematička.

Pošto standardni talasni oblik kvantne mehanike veoma dobro odgovara podacima i pošto niko nije mogao pronaći jednako zadovoljavajuću jednačinu da bi odgovorila na naša stvarna opažanja (ili šta bi moglo izazvati kvantni kolaps), zagovornici Everetove interpretacije tvrde da je standard talasni signal je jednostavno sve što postoji. To naravno znači da vjerovatnoće u standardnom talasnom obliku, koje mi u stvari ne vidimo, podrazumijeva postojanje drugih svjetova itd. Glavna stvar je da je dublja priroda (ili metafizička) priroda realnosti matematička.



Zagovornici “skrivenih varijabli” Dejvida Bohma mogu tvrditi da su subatomske čestice jednostavno vođene drugom vrstom talasne funkcije koja se ne može izraziti u elegantnoj matematičkoj formi. Možda bi mogli da tvrde da je ova vrsta talasne funkcije inherentno cjelovita i zato što ne možemo da je izrazimo na tabli nije dobar razlog da se odbaci mogućnost. Nedostatak ovakvih sakrivenih varijabli pristupa je da nije pogodan za fizičare i filozofe koji favorizuju matematički elegantniji pristup. S druge strane, pretpostavljajući da neki procesi u našem svijetu kao inherentno cjeloviti ne izgleda da se sukobljavaju sa našim osjećanjem stvarnosti i konstantnim tokovima novih univerzuma.

Važno je napomenuti da metafizika igra važnu ulogu u kvantnoj mehanici. Ajnštajn je famozno napao kvantnu mehaniku jer je podrazumjevao “sablasnu akciju na daljinu” ili da se čestice mogu zapletati. Einsteinova metafizička pretpostavka bila je da ova vrsta nelokalnosti mora biti pogrešna. Međutim, nagomilani su eksperimentalni dokazi koji ukazuju na to da zapletavanje, a samim tim i nelokalnost, zapravo opisuje kvantno ponašanje. Ovo je dobar primjer kako metafizičke pretpostavke mogu odrediti način našeg shvatanja paradoksalne prirode kvantne mehanike.

Izvor: Quora

Autor: George Williams



Fizičari daju podršku retrokauzalnoj kvantnoj teoriji, u kojoj budućnost utiče na prošlost

Iako u kvantnoj teoriji postoji mnogo kontraintuktivnih ideja, ideja da uticaji mogu da odu unazad (od budućnosti do prošlosti) generalno nije jedna od njih. Međutim, nedavno su neki fizičari istražili ovu ideju, nazvanu “retrokauzalnost”, jer može potencijalno riješiti neke dugotrajne zagonetke u kvantnoj fizici. Konkretno, ako je dozvoljena retrokauzalnost, onda se poznati Bell testovi mogu tumačiti kao dokaz retrokauzalnosti, a ne za djelovanje na daljinu – što je rezultat koji bi Einstein i drugi skeptični od te “sulude” osobine možda cenili.

U novom članku objavljenom u Zborniku radova Kraljevskog društva A, fizičari Matthew S. Leifer na Univerzitetu Chapman i Matthew F. Pusey na Perimeter institutu za teorijsku fiziku stavili su novu teorijsku podršku argumentu da, ako se urade izvesne razumne pretpostavke onda kvantna teorija mora biti retrokauzalna.

Izgled retrokazalnosti

Prvo, da pojasnimo šta je retrokazalnost i šta nije: to ne znači da se signali mogu prenijeti iz budućnosti u prošlost – takva signalizacija bi bila zabranjena čak i u retrokauzalnoj teoriji zbog termodinamičkih razloga. Umesto toga, retrokazalnost znači da, kada eksperimentator odabere mjerno područje za merenje čestice, ta odluka može utjecati na osobine te čestice (ili druge čestice) u prošlosti, čak i prije nego što je eksperimentator napravio svoj izbor. Drugim rečima, odluka doneta u sadašnjosti može uticati na nešto u prošlosti.

U originalnim Bell testovima, fizičari su pretpostavili da se retrokazalni uticaji ne mogu dogoditi. Shodno tome, kako bi objasnili svoja zapažanja da daleka čestica odmah zna šta se vrši na drugoj, jedino održivo objašnjenje je bilo djelovanje-na-daljinu. To jest, čestice na neki način utiču jedne na druge, čak i kada su na velikim rastojanjima, na načine koji se ne mogu objasniti ni sa jednim poznatim mehanizmom. Ali, dozvoljavajući mogućnost da postavka mjerenja za jednu česticu može retrokauzalno utjecati na ponašanje druge čestice, nema potrebe za djelovanjem-na-daljinu, samo za retrokauzalnim uticajem.

Objedinjavanje retrokausnosti: sa ili bez stvarnog kvantnog stanja

Jedan od glavnih zagovornika retrokazalnosti u kvantnoj teoriji je Huw Price, profesor filozofije na Univerzitetu u Kembridžu. U 2012. godini Price je postavio argument koji ukazuje na to da svaka kvantna teorija koja pretpostavlja da je 1) kvantno stanje stvarno i 2) da je kvantni svet vremenski simetričan (da fizički procesi mogu da se kreću naprijed i unazad dok se opisuju istim fizičkim zakonima) moraju dozvoliti povratne uticaje. Međutim, razumljivo je da ideja o retrokazalnosti nije naišla na odobravanje kod velikog broja fizičara.

 
“Postoji mala grupa fizičara i filozofa koji misle da je ta ideja vrijedna za razmatranje, uključujući Hju Pricea i Ken Whartona [profesora fizike na Državnom univerzitetu San José]”, rekao je Leifer za Phys.org. “Po mom saznanju ne postoji generalno saglasno tumačenje kvantne teorije koja oporavlja cijelu teoriju i eksploatiše ovu ideju.To je više ideja za tumačenje u ovom trenutku, tako da mislim da su drugi fizičari s pravom skeptični, a odgovornost je na nama da iznesemo tu ideju.”

U novoj studiji, Leifer i Pusey pokušavaju to učiniti generalizacijom argumenta Price-a, što ga možda čini privlačnijim u svjetlu drugih nedavnih istraživanja. Oni počinju tako što uklanjaju prvu pretpostavku Price-a, tako da argument važi da li je kvantno stanje stvarno ili ne – pitanje koje je još uvijek stvar debate. Kvantno stanje koje nije stvarno bi opisalo fizičko znanje o kvantnom sistemu umjesto da bude prava fizička osobina sistema. Iako većina istraživanja ukazuje na to da je kvantno stanje stvarno, teško je potvrditi jedan ili drugi način, a omogućavanje retrokaznosti može pružiti uvid u ovo pitanje. Omogućavanje ove otvorenosti u vezi sa stvarnošću kvantnog stanja je jedan od glavnih razloga za istraživanje retrokauzalnosti uopšte, objasnio je Leifer.
“Razlog za koji smatram da retrokazalnost vredi istraživati je da sada imamo mnoštvo bezizlaznih rezultata o realističkim tumačenjima kvantne teorije, uključujući Bellovu teoremu, Kochen-Specker i nedavne dokaze o stvarnosti kvantnog stanja”, rekao je on. Dodao je: “Oni kažu da svako tumačenje koje se uklapa u standardni okvir za realističku interpretaciju mora imati osobine koje bih smatrao nepoželjnim. Zato, jedine opcije su izgleda napuštanje realizma ili izbjegavanje standardnog realističkog okvira.
“Napuštanje realizma je prilično popularno, ali mislim da ovo pokorava nauku većine svoje objašnjavajuće moći i tako je bolje naći realističke račune gdje je to moguće. Druga opcija je istražiti više egzotične realističke mogućnosti, koji uključuju retrokauzalnost, relacionizam i mnoge svetove. Pored mnogih svetova, ostali nisu mnogo istraženi, tako da mislim da je vredno istražiti sve detalje. Nisam lično posvećen retrokauzalnom rešenju preko i iznad ostalih, ali izgleda da je moguće rigorozno formulisati i istražiti ga, i mislim da bi to trebalo učiniti za nekoliko egzotičnih mogućnosti. “

Ne možemo imati oboje i vremensku simetriju i ne-retrokauzalnost.

U svom radu, Leifer i Pusey takođe reformulišu uobičajenu ideju vremenske simetrije u fizici koja se zasniva na promeni fizičkog procesa zamjenom t sa -t u jednadžbama kretanja. Fizičari razvijaju jači koncept vremenske simetrije ovde u kojem je obrnuti proces ne samo da je moguć, već i da je verovatnoća pojave ista da li se proces odvija napred ili nazad. Glavni rezultat fizičara je da kvantna teorija koja podrazumeva i ovu vrstu simetrije vremena i da retrokazalnost nije dopuštena vodi do kontradiktornosti. Oni opisuju jedan eksperiment koji ilustruje ovu kontradikciju, u kojoj pretpostavka vremenske simetrije zahteva da napred i nazad procesi imaju iste verovatnoće, ali pretpostavka o ne-retrokauzalnosti zahteva da su drugačije. Na kraju, sve se svodi na izbor da li da zadržite vremensku simetriju ili ne-retrokauzalnost, dok argument Leifer-a i Pusey-a pokazuje da ne možete imati oba . Pošto je vremenska simetrija izgleda osnovna fizička simetrija, oni tvrde da je više smisleno dozvoliti retrokauzalnost. To bi eliminisalo potrebu za merenjem u Bell testu na razdaljini, a i dalje bi bilo moguće objasniti zašto je korišćenje retrokazalnosti za slanje informacija zabranjeno. “Slučaj prihvatanja retrokauzalnosti izgleda mi jači iz sljedećih razloga, ” rekao je Leifer. “Prvo, imati retrokauzalnost potencijalno nam omogućava da riješimo pitanja koja dolaze od drugih teorema, tj. omogućava da imamo Bell korelacije bez djelovanja udaljenosti. Dakle, iako još uvijek moramo objasniti zašto nema signaliziranja u prošlost, čini se da možemo srušiti nekoliko zagonetki u samo jednu.To ne bi bilo slučaj ako umesto vremena napustimo simetriju vremena. “Drugo, znamo da postojanje strijele vremena već treba objašnjeno termodinamičkim argumentima, tj. to je karakteristika posebnih graničnih uslova svemira, a ne samog fizičkog zakona. S obzirom da mogućnost slanja signala samo u budućnost, a ne u prošlost, deo je definicije strijele vremena, čini mi se vjerovatno da nemogućnost signalizacije u prošlost u retrokauzalnom univerzumu takođe može nastati iz posebnih graničnih uslova i ne mora biti fizički zakon. Vremenska simetrija
izgleda manje verovatno da se pojavljuje na ovaj način (zapravo, obično koristimo termodinamiku da objasnimo kako očigledna vremenska asimetrija koju posmatramo u prirodi proizilazi iz vremenski simetričnih zakona, a ne obrnuto). “Kao što fizičari objašnjavaju, cela ideja o retrokazalosti je tako teška za prihvatiti jer ju nikada ne vidimo na drugom mestu. Isto važi i za djelovanje na daljinu, ali to ne znači da ne možemo pretpostaviti da nema retrokazalnosti i da djelovanje na udaljenosti nisu istinite za stvarnost uopšte. U svakom slučaju, fizičari žele objasniti zašto se jedna od ovih osobina pojavljuje samo u određenim situacijama koje su daleko od naših svakodnevnih opažanja. “Jedan od načina gledanja na sve ove teške teoreme je fino podešavanje “, objasnio je Leifer.” Primetili ste predviđanje teorije i pretpostavljate da je istinita i za stvarnost. Onda pokažete da je ovo nekompatibilno sa reprodukcijom predviđanja kvantne teorije i da imate teoremu “ne-go” ili teoremu koja nigdje ne vodi. Na primjer, u Bellovoj teoremi primećujemo da ne možemo slati superluminalne signale tako da pretpostavimo da u stvarnosti nema superluminalnih utjecaja, Ali ovo nas dovodi u sukob sa eksperimentalnim posmatranim predviđanjima.Vidimo da nije stvarno supriluminalni koji je najveći problem. Ako smo uspeli da pošaljemo signale brže od svetlosti jednostavno bi rekli: “Oh, dobro, Ajnštajn nije bio u pravu, Teorija relativnosti je samo netačna. ” A onda nastavite sa fizikom. Ali to nije ono što se desilo: ni signalizacija se ne održava na nivou onoga što posmatramo, već samo postoji napetost između ovog i šta se mora odvijati u realnosti kako bi se reprodukovalo ono što posmatramo. Ako postoje supra-lumalni uticaji, zašto ih onda ne možemo direktno posmatrati? Ovo je zagonetka koja preklinje za objašnjenjem. “

Implikacije i ispitivanje pretpostavki

Ako je retrokauzalnost karakteristika kvantnog sveta, onda bi to imalo ogromne implikacije za fizičarsko razumevanje osnova kvantne teorije. Možda je najveći značaj implikacija za Bell testove, što pokazuje da udaljene čestice stvarno ne mogu uticati jedne na druge, već – kao što su Einstein i drugi sumnjali. Kvantna teorija je nepotpuna. Ako su novi rezultati istiniti, onda retrokazalnost može biti jedan od nedostajućih delova koji čine kvantnu teoriju potpunom. “Mislim da različita tumačenja [kvantne teorije] imaju različite implikacije kako možemo da se bavimo generalizacijom standardne kvantne teorije”, rekao je Leifer . “Ovo bi moglo biti potrebno za konstrukciju tačne teorije kvantne gravitacije, ili čak i za rešavanje nekih problema u fizici visoke energije, s obzirom na to da je unifikacija ostale tri sile još uvijek u vazduhu u svjetlu rezultata LHC-a. Mislim da su
buduće teorije zasnovane na idejama postojećih tumačenja gde možemo videti razliku, ali sasvim je daleko od toga da shvatimo kako bi to moglo da funkcioniše u ovom trenutku. “Špekulativno, ako postoji retrokazalnost u svemiru, onda bi moglo biti da postoje određeni trenuci, možda blizu velikog praska, u kojem nema definitivne strele uzročnosti. Možda biste mogli zamisliti da se o takvom dobu može pojaviti i dokaz u kosmološkim podacima, poput kosmičke mikrotalasne pozadine. Međutim, ovo je vrlo špekulativno i nemam pojma koje potpise možemo očekivati. “Fizičari nemaju nikakve eksperimente koji su postavljeni kako bi se testirala retrokazalnost – ali kao ideja je više tumačenje opservacija, a ne izrada novih zapažanja, ono što je najviše potrebno ne mora biti test, već više teorijska podrška. “Što se tiče direktnih eksperimentalnih testova retrokauzalnosti, status nije mnogo drugačiji od drugih stvari u temama kvantne mehanike”, rekao je Leifer. “Nikada ne testiramo jednu pretpostavku u izolaciji, ali uvek u spoju sa mnogim drugim, a onda moramo odlučiti koju ćemo odbiti po drugim osnovama. Na primer, možda mislite da eksperimenti Bell pokazuju da je priroda nelokalna, ali samo ako ste se prvi put odlučili prihvatiti druge pretpostavke, kao što su realizam i ne-retrokauzalinost. Dakle, možete reći da eksperimenti Bell-a već pružaju dokaze retrokazalnosti ako ste u stanju odbaciti realizam ili lokalitet. Slično tome, vrste eksperimenata koje opisujemo u našem članku pružaju neke dokaze retrokauzalnosti, ali samo ako odbijete da odbacite druge pretpostavke. “Zapravo, situacija je zaista jednaka u svim naučnim eksperimentima. Postoji niz pretpostavki o radu eksperimentalnog aparata koji morate da prihvatite kako biste zaključili da eksperiment pokazuje efekat koji tražite. Radi se o tome da, u slučaju kvantnih osnova, predmet je vrlo kontroverzan, tako da ćemo prije ispitati osnovne pretpostavke nego bi to uradili u slučaju, recimo, lekarskog suđenja. Međutim, takve pretpostavke su uvek tamo i uvek ih je moguće preispitati. “

Izvor: https://phys.org/news/2017-07-physicists-retrocausal-quantum-theory-future.html

Kako bi kvantna biologija mogla odgovoriti na najveća pitanja života? – kvantni fizičar Jim Al-Khalili za ted.com

“Kvantna biologija pita jedno jednostavno pitanje: Da li kvantna mehanika objašnjava i procese u biologiji?

Kvantna biologija nije ništa novo, razvija se od 1930 – ih godina.
Međutim, tek u novije vrijeme neka otkrića su pokazala da kvantna mehanika ima primjenu i u biologiji. Kvantna biologija je interdisciplinarno područje. Ja sam kvantni fizičar. Ako idemo u svijet jako malog i pođemo od teniske lopte, pa do igle i sve dalje do atoma stižemo u područje nanosvijeta gdje je DNA, a odmah ispod su atomi.

Biolozi su vrlo sretni da imaju modele molekula i atoma koji grade proteine. U novije vrijeme koriste se i kompjuteri za simulaciju onog šta se dešava u kvantnom svijetu.

Ako mislimo da je kvantna fizika osnova svega, onda je ona i prethodnik organske hemije, pa onda i molekularne biologije što dovodi do samog života. To nas onda ne bi trebalo čuditi da život dolazi iz kvantne mehanike. Ono šta je logično da bi trebalo da bude jasno da postoji kvantni svijet koji je uzrok i izvor svemu drugom. Kvantna biologija ipak nije samo o tome. Kvantna biologija je zapravo to da proučavamo  neintuitivne ideje iz kvantne mehanike i da probamo da li ih možemo primjeniti da bi razumjeli fenomene iz bilogije. U kvantnoj mehanici imamo mnogo čudnih neintuitivnih  pojava kao što su da čestica može biti na dva mjesta u isto vrijeme, da može putovati u prošlost itd. Nije biologe kriviti što nisu prostudirali kvantnu mehaniku. Fizičarima su pune ruke posla kako bi pokušali razumjeti šta znače svi ovi čudni fenomeni iz kvantne mehanike. Biologija je dosta dobro objasnila mnoge životne procese preko molekularne hemije.

Erwin Schrodinger, austrijski fizičar je 1945. godine napisao knjigu “Šta je život?”. U toj knjizi on kaže:

“Na molekularnoj razini živi organizmi imaju posebno ponašanje u odnosu na nežive organizme. Živi organizmi se ponašaju onako kako se neživi organizmi ponašaju kad ih se ohladi na apsolutnu nulu. Postoji nešto čudno u ponašanju ćelije. ”

Erwin Schrowinger je pretpostavljao da se tu dešavaju neki čudni kvantnomehanički fenomeni.

U kvantnoj mehanici imamo fenomen tuneliranja gdje čestice kad se ponašaju kao talasi mogu na čudan način kao u magiji nestati na jednoj strani i preći na drugu stranu određene nepremostive barijere. Postoji određena vjerojatnost da čestica pređe skoro pa beskonaćnu prepreku. Međutim, ovo nije mit, nego se kvantno tuneliranje dešava non stop. Pokazano je da se kvantno tuneliranje dešava i u živim ćelijama. Enzimi to omogućavaju. To je dokazano.

Jedno od pitanje je i da li kvantno tuneliranje igra ulogu u mutacijama od DNA. Da li se promjene dešavaju u DNA pomoću kvantnog tuneliranja, čini se da da.

Drugi primjer kvantne mehanike u biologiji je kvantna koherentnost u fotosintezi. Kvantna koherentnost je kad čestica radi više stvari odjednom. Ideja je da foton svjetlosti  kad se primi od molekule, on ide kroz više putanja u isto vrijeme, bez da izgubi svoju energiju. Kvantna koherentnost se odigrava u živoj ćeliji. Svake sedmice se objavljuju naučni članci koji ovo potvrđuju.

Treći primjer je način kako se ptice orjentišu. Na to izgleda utjecaj ima Zemljino magnetno polje. Nekako određene vrste ptica koriste Zemljino magnetno polje. Jedina ideja kako se to dešava je kvantna sprega. U ćelijama ptice se dešava ta kvantna sprega. Dva elektrona povezana sa kvantno spregom su jako osjetljivi na to u kojem se smjeru ptice kreću u odnosu na Zemljino magnetno polje. Mi ne znamo da li je to pravo objašnjenje, ali bilo bi moćno ako kvantna mehanika pomaže pticama da se orjentišu.

Kvantna biologija je još uvijek špekulativna nauka, ali vjerujem da je građena na solidnoj nauci. Vjerujem da ćemo u sljedećih deset godina otkriti da je život zasnovan na kvantnoj mehanici.”, Jim Al-Khalili

Izvor:

 

Šta je to kvantna elektrodinamika?

Kvantna elektrodinamika

Intrakcije u kvantnoj elektrodinamici se često prikazuju shematski Fajnmanovim dijagramima

Kvantna elektrodinamika (QED, od engleskog naziva Quantum electrodynamics) je kompleksna i matematički vrlo složena teorija koja se opisuje interakciju svetlosti (fotona) i materije (pre svega elektrona, ali i svih drugih naelektrisanih čestica koje imaju spin 1/2, kao što su mioni).Kvantna elektrodinamika se definiše kao relativistička kvantna teorija polja elektrodinamike.:vii Kvantna elektrodinamika je kompatibilna sa specijalnom teorijom relativnosti i opisuje sve fenomene osim fenomena povezanih sa opštom teorijom relativnosti i radioaktivnim raspadima.

Razvoj

U prvoj polovini 20. veka, fizičari su se trudili da pomire Maksvelovu elektrodinamiku sa novinama koje su donele kvantna teorija i specijalna teorija relativnosti. Pol Dirak, Verner Hajzenberg i Volfgang Pauli su dali značajne doprinose razvoju matematičkog aparata kvantne elektrodinamike u godinama uoči Drugog svetskog rata. Međutim, u početku je kvantna elektrodinamika davala loša predviđanja, jer su se često u jednačinama pojavljivale beskonačne veličine. Nakon uvođenja procesa renormalizacije, kojim se ove beskonačne veličine eliminišu, kao i drugih doprinosa naučnika poput Ričarda Fajnmana, Julijana Švingera i Šiničira Tomonage, kvantna elektrodinamika je postala daleko pouzdanija.

Kvantna elektrodinamika je posebno bila revolucionarna u teorijskoj fizici zahvaljujući metodima koje je koristila — umesto mehanicističkog pristupa računaju se odgovarajuće verovatnoće kombinovane sa kvantnim osobinama subatomskih čestica.

Nakon otkrića kvarkova, gluona i drugih subatomskih čestica, kvantna elektrodinamika je postala izuzetno značajna u opisu strukture, osobina i reakcija među ovim česticama, što ju je na kraju učinilo jednom od najtačnijih, najpreciznijih i najbolje testiranih fizičkih teorija.

Vitruelni fotoni

Kvantna elektrodinamika opisuje interakciju između naelektrisanih čestica kao razmenu virtuelnih fotona. Kako naelektrisana čestica emituje ili apsorbuje virtuelne fotone, tako menja svoju brzinu (pravac, smer i/ili intenzitet). Vitruelne fotone (kao i druge virtuelne čestice) nije moguće direktno ispitivati, već se oni analiziraju samo preko svojih efekata. Virtuelni fotoni su, svakako, najbolje opisani odgovarajućim matematičkim alatom.

Fajnmanovi dijagrami

Odbijanje dva elektrona prikazano Fajnmanovim dijagramom

Fajnmanovi dijagrami su pomoćno sredstvo kojim se predstavljaju interakcije u kvantnoj elektrodinamici u prostoru i vremenu. Po pravilu, vreme je prikazano na apscisi, i teče sa leve ka desnoj strani dijagrama. Na ordinati se shematski prikazuje kretanje čestica. U svakom čvoru važe zakoni očuvanja energije i momenta impulsa.

Izvori

  1. K. Lee Lerner, Brenda Wilmoth Lerner, ur (((en))). The Gale Encyclopaedia of Science (4 izd.). Farmington Hills: The Gale Group. ISBN 1-4144-2877-4.
  2.  (((en))) A Modern Introduction to Quantum Field Theory (4 izd.). Chippenham: Oxford University Press. str. 180. ISBN 0-19-852073-5.
  3. (((en))) Basics of Quantum Electrodynamics (4 izd.). Boca Raton: CRC Press. str. 180. ISBN 0-19-852073-5.

Šta je to kvantna elektrodinamika?

Kvantna elektrodinamika

Intrakcije u kvantnoj elektrodinamici se često prikazuju shematski Fajnmanovim dijagramima

Kvantna elektrodinamika (QED, od engleskog naziva Quantum electrodynamics) je kompleksna i matematički vrlo složena teorija koja se opisuje interakciju svetlosti (fotona) i materije (pre svega elektrona, ali i svih drugih naelektrisanih čestica koje imaju spin 1/2, kao što su mioni).Kvantna elektrodinamika se definiše kao relativistička kvantna teorija polja elektrodinamike.:vii Kvantna elektrodinamika je kompatibilna sa specijalnom teorijom relativnosti i opisuje sve fenomene osim fenomena povezanih sa opštom teorijom relativnosti i radioaktivnim raspadima.

Razvoj

U prvoj polovini 20. veka, fizičari su se trudili da pomire Maksvelovu elektrodinamiku sa novinama koje su donele kvantna teorija i specijalna teorija relativnosti. Pol Dirak, Verner Hajzenberg i Volfgang Pauli su dali značajne doprinose razvoju matematičkog aparata kvantne elektrodinamike u godinama uoči Drugog svetskog rata. Međutim, u početku je kvantna elektrodinamika davala loša predviđanja, jer su se često u jednačinama pojavljivale beskonačne veličine. Nakon uvođenja procesa renormalizacije, kojim se ove beskonačne veličine eliminišu, kao i drugih doprinosa naučnika poput Ričarda Fajnmana, Julijana Švingera i Šiničira Tomonage, kvantna elektrodinamika je postala daleko pouzdanija.

Kvantna elektrodinamika je posebno bila revolucionarna u teorijskoj fizici zahvaljujući metodima koje je koristila — umesto mehanicističkog pristupa računaju se odgovarajuće verovatnoće kombinovane sa kvantnim osobinama subatomskih čestica.

Nakon otkrića kvarkova, gluona i drugih subatomskih čestica, kvantna elektrodinamika je postala izuzetno značajna u opisu strukture, osobina i reakcija među ovim česticama, što ju je na kraju učinilo jednom od najtačnijih, najpreciznijih i najbolje testiranih fizičkih teorija.

Vitruelni fotoni

Kvantna elektrodinamika opisuje interakciju između naelektrisanih čestica kao razmenu virtuelnih fotona. Kako naelektrisana čestica emituje ili apsorbuje virtuelne fotone, tako menja svoju brzinu (pravac, smer i/ili intenzitet). Vitruelne fotone (kao i druge virtuelne čestice) nije moguće direktno ispitivati, već se oni analiziraju samo preko svojih efekata. Virtuelni fotoni su, svakako, najbolje opisani odgovarajućim matematičkim alatom.

Fajnmanovi dijagrami

Odbijanje dva elektrona prikazano Fajnmanovim dijagramom

Fajnmanovi dijagrami su pomoćno sredstvo kojim se predstavljaju interakcije u kvantnoj elektrodinamici u prostoru i vremenu. Po pravilu, vreme je prikazano na apscisi, i teče sa leve ka desnoj strani dijagrama. Na ordinati se shematski prikazuje kretanje čestica. U svakom čvoru važe zakoni očuvanja energije i momenta impulsa.

Izvori

  1. K. Lee Lerner, Brenda Wilmoth Lerner, ur (((en))). The Gale Encyclopaedia of Science (4 izd.). Farmington Hills: The Gale Group. ISBN 1-4144-2877-4.
  2.  (((en))) A Modern Introduction to Quantum Field Theory (4 izd.). Chippenham: Oxford University Press. str. 180. ISBN 0-19-852073-5.
  3. (((en))) Basics of Quantum Electrodynamics (4 izd.). Boca Raton: CRC Press. str. 180. ISBN 0-19-852073-5.

Šta je to kvantna mehanika?

Kvantna mehanika

 

Slika. 1: Talasne funkcije elektrona u vodonikovom atomu. Energija raste nadole: n=1,2,3,… i moment impulsa (ugaoni moment) raste s leva na desno: s, p, d,… Svetlija područja odgovaraju većoj verovatnoći gde bi mogao eksperimentalno nađe elektron.

Kvantna mehanika je fundamentalna grana teorijske fizike kojom su zamenjene klasična mehanika i klasična elektrodinamika pri opisivanju atomskih i subatomskih pojava. Ona predstavlja teorijsku podlogu mnogih disciplina fizike i hemije kao što su fizika kondenzovane materije, atomska fizika, molekulska fizika, fizička hemija, kvantna hemija, fizika čestica i nuklearna fizika. Zajedno sa Opštom teorijom relativnosti Kvantna mehanika predstavlja jedan od stubova savremene fizike.

Uvod

Izraz kvant (od latinskog quantum (množina quanta) = količina, mnoštvo, svota, iznos, deo) odnosi se na diskretne jedinice koje teorija pripisuje izvesnim fizičkim veličinama kao što su energija i moment impulsa (ugaoni moment) atoma kao što je pokazano na slici. Otkriće da talasi mogu da se prostiru kao čestice, u malim energijskim paketima koji se nazivaju kvanti dovelo je do pojave nove grane fizike koja se bavi atomskim i subatomskim sistemima a koju danas nazivamo Kvantna mehanika. Temelje kvantnoj mehanici položili su u prvoj polovini dvadesetog veka Verner Hajzenberg, Maks Plank, Luj de Broj, Nils Bor, Ervin Šredinger, Maks Born, Džon fon Nojman, Pol Dirak, Albert Ajnštajn, Volfgang Pauli i brojni drugi poznati fizičari 20. veka. Neki bazični aspekti kvantne mehanike još uvek se aktivno izučavaju.

Teorija

Postoje brojne matematički ekvivalentne formulacije kvantne mehanike. Jedna od najstarijih i najčešće korišćenih je transformaciona teorija koju je predložio Pol Dirak a koja ujedinjuje i uopštava dve ranije formulacije, matričnu mehaniku (koju je uveo Verner Hajzenberg)  i talasnu mehaniku (koju je formulisao Ervin Šredinger).

Primene

Kvantna mehanika uspeva izvanredno uspešno da objasni brojen fizičke pojave u prirodi. Na primer osobine subatomskih čestica od kojih su sačinjeni svi oblici materije mogu biti potpuno objašnjene preko kvantne mehanike. Isto, kombinovanje atoma u stvaranju molekula i viših oblika organizacije materije može se dosledno objasniti primenom kvantne mehanike iz čega je izrasla kvantna hemija, jedna od disciplina fizičke hemije. Relativistička kvantna mehanika, u principu, može da objasni skoro celokupnu hemiju. Drugim rečima, nema pojave u hemiji koja ne može da bude objašnjena kvantnomehaničkom teorijom.

Filozofske posledice

Zbog brojnih rezultata koji protivureče intuiciji kvantna mehanika je od samog zasnivanja inicirala brojne filozofske debate i tumačenja. Protekle su decenije pre nego što su bili prihvaćeni i neki od temelja kvantne mehanike poput Bornovog tumačenja amplitude verovatnoće.

Istorija

Da bi objasnio spektar zračenja koje emituje crno telo Maks Plank je 1900. godine uveo ideju o diskretnoj, dakle, kvantnoj prirodi energije. Da bi objasnio fotoelektrični efekat Ajnštajn je postulirao da se svetlosna energija prenosi u kvantima koji se danas nazivaju fotonima. Ideja da se energija zračenja prenosi u porcijama (kvantima) predstavlja izvanerdno dostignuće jer je time Plankova formula zračenja crnog tela dobila konačno i svoje fizičko objašnjenje. Godine 1913. Bor je objasnio spektar vodonikovog atoma, opet koristeći kvantizaciju ovog puta i ugaonog momenta. Na sličan način je Luj de Broj 1924. godine izložio teoriju o talasima materije tvrdeći da čestice imaju talasnu prirodu, upotpunjujući Ajnštajnovu sliku o čestičnoj prirodi talasa.

Hronologija utemeljivačkih eksperimenata

  • ~ 1805: Tomas Jungov eksperiment sa dvostrukim prorezom kojim je demonstrirana talasna priroda svetlosti.
  • 1896: Anri Bekerelov pronalazak radioaktivnosti.
  • 1897: Džozef Džon Tomsonovo otkriće elektrona i njegovog negativnog naeletrisanja u eksperimentima sa katodnom cevi.
  • 1850-1900: Ispitivanje zračenja crnog tela koje nije moglo da se objasni bez kvantnog koncepta.
  • 1905: Fotoelektrični efekat: Ajnštajnovo objašnjenje efekta (za šta je i dobio Nobelovu nagradu za fiziku) uvođenjem koncepta fotona, čestice svetlosti sa kvantiranom energijom.
  • 1909: Robert Milikenov eksperiment sa kapljicama ulja koji je pokazao da je eletrično naeletrisanje javlja u diskretnim (kvantiranim) porcijama.
  • 1911: Raderfordov ogled sa rasejanjem alfa čestica na zlatnoj foliji kojim je napušten atomski model “pudinga od šljiva” u kojem je sugerisano da su masa i naeletrisanje atoma uniformno raspoređeni po zapremini atoma.
  • 1920: Štern-Gerlahov eksperiment kojim je demonstrirana kvantna priroda spina čestice.
  • 1927: Devison (Clinton Davisson) i Džermer (Lester Germer) pokazuju talasnu prirodu elektrona in the Electron diffraction experiment.
  • 1955: Kovan (Clyde L. Cowan) i Reines (Frederick Reines) potvrđuju postojanje neutrina u neutrinskom eksperimentu.
  • 1961: Jensonov (Claus Jönsson) eksperiment sa rasejanjem elektrona na na dvostrukom prorezu.
  • 1980: Klaus fon Klicingovo (Klaus von Klitzing) otkriće kvantnog Halovog efekta. Kvantna verzija Halovog efekta omogućila je definiciju novog standarda za električni otpor i vrlo precizno nezavisno određivanje vrednosti konstante fine strukture.

Beleške

  1.  Nakon što je 1932. godine Hajzenberg dobio Nobelovu nagradu za stvaranje kvantne mehanike uloga Maksa Borna u tome bila je umanjena. Biografija Maksa Borna iz 2005. detaljno opisuje njegovu ulogu u stvaranju matrične mehanike. To je i sam Hajzenberg priznao 1950. godine u radu posvećenom Maksu Planku. Videti: Nancy Thorndike Greenspan, “The End of the Certain World: The Life and Science of Max Born (Basic Books, 2005), pp. 124 – 128, and 285 – 286.
  2.  The Davisson-Germer experiment, which demonstrates the wave nature of the electron

Literatura

  • P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics (1930) — the beginning chapters provide a very clear and comprehensible introduction
  • David J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics, Prentice Hall, 1995. ISBN 0-13-111892-7 — Šablon:Please check ISBN A standard undergraduate level text written in an accessible style.
  • Richard P. Feynman, Robert B. Leighton and Matthew Sands (1965). The Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley. Richard Feynman’s original lectures (given at Caltech in early 1962) can also be downloaded as an MP3 file from www.audible.com
  • Hugh Everett, Relative State Formulation of Quantum Mechanics, Reviews of Modern Physics vol 29, (1957) pp 454-462.
  • Bryce DeWitt, R. Neill Graham, eds, The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton Series in Physics, Princeton University Press (1973), ISBN 0-691-08131-X
  • Albert Messiah, Quantum Mechanics, English translation by G. M. Temmer of Mécanique Quantique, 1966, John Wiley and Sons, vol. I, chapter IV, section III.
  • Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter — a popular science book about quantum mechanics and quantum field theory that contains many enlightening insights that are interesting for the expert as well
  • Marvin Chester, Primer of Quantum Mechanics, 1987, John Wiley, N.Y. ISBN 0-486-42878-8
  • Hagen Kleinert, Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets, 3th edition, World Scientific (Singapore, 2004)(also available online here)
  • George Mackey (2004). The mathematical foundations of quantum mechanics. Dover Publications. ISBN 0-486-43517-2.
  • Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.
  • Omnes, Roland (1999). Understanding Quantum Mechanics. Princeton University Press. ISBN 0-691-00435-8.
  • J. von Neumann, Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, Princeton University Press, 1955.
  • H. Weyl, The Theory of Groups and Quantum Mechanics, Dover Publications 1950.
  • Max Jammer, “The Conceptual Development of Quantum Mechanics” (McGraw Hill Book Co., 1966)
  • Gunther Ludwig, “Wave Mechanics” (Pergamon Press, 1968) ISBN 0-08-203204-1
  • Albert Messiah, Quantum Mechanics (Vol. I), English translation from French by G. M. Temmer, fourth printing 1966, North Holland, John Wiley & Sons.
  • Eric R. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance, Oxford University Press, 2006. Considers the extent to which chemistry and especially the periodic system has been reduced to quantum mechanics. ISBN 0-19-530573-6
  • Slobodan Macura, Jelena Radić-Perić, ATOMISTIKA, Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list, Beograd, 2004. (stara kvantna teorija i većina utemeljivaćkih eksperimentata).