Making Sense of the Quantum Revolution
Buy book - Helgoland by Carlo Rovelli
What is the plot of the Helgoland novel?
A dreamy and lyrical study of quantum physics, Helgoland (2021) is set in the year 2021. The weird subatomic universe described in this small book is one in which nothing can ever be fully definite.
Who is it that reads the Helgoland novel?
- Physicists who are interested in the history of science but are not professionals
- Aspiring psychonauts who want to learn more about the weird world of atoms
- Anyone who is interested in taking a surrealistic look upon reality
Who is Carlo Rovelli, and what is his background?
Physicist Carlo Rovelli is the head of the Quantum Gravity research group at the Centre de Physique Théorique in Marseille, France, where he works as a theoretical physicist. Many of his works, such as Seven Brief Lessons on Physics, Reality Is Not What It Appears, and The Order of Time, have been best-sellers in their respective fields of physics.
Co přesně je v tom pro mě? A look at the most recent developments in quantum physics.
Werner Heisenberg couldn't stop sneezing in the summer of 1925, which happened to be the allergy season. The 23-year-old scientist fled to Helgoland, a tiny rocky island in the North Sea, in order to relieve his hay fever symptoms. He starts to ponder carefully about atoms while he is here, finally able to take a deep breath. His discoveries will have a profound impact on physics and our understanding of reality. Based on the excellent storytelling of physicist Carlo Rovelli, these notes recount the intriguing tale of how quantum mechanics came to be discovered and discovered by scientists. As you go through the book, you will learn what Heisenberg's ideas tell us about the bizarre and paradoxical world of subatomic particles, and you will see how his discoveries uncovered issues that continue to confound scientists today. Discover how hay fever helped scientists discover quantum physics, when a thing isn't actually an object, and why multiverses aren't required in these sets of notes.
Heisenberg was the catalyst for the birth of a new and complicated area of research known as quantum physics.
Being a young, ambitious scientist in the early twentieth century was an exciting time to be alive. Danish physicist Niels Bohr has discovered a strange phenomenon that has baffled scientists for decades. He has discovered that when heated, atoms produce light at particular frequencies that are unique to them. These patterns indicate that electrons, the tiny subatomic particles that whizz about the nucleus of an atom, only orbit at certain distances from the nucleus of the atom. Heisenberg is perplexed as to why this is happening. Why should electrons be restricted to certain orbital configurations? And why should they jump between orbits in particular measurable ways if they are not required to? Essentially, he wants to get a better understanding of the physics of quantum jumps. The most important lesson to take away from this is: Heisenberg was the catalyst for the birth of a new and complicated area of research known as quantum physics.
Toto bylo dilema, protože vědci v té době nebyli schopni porozumět elektronovým drahám nebo kvantovým skokům, ke kterým došlo mezi těmito oběžnými dráhami. Diskrétní čísla se používají k vysvětlení pohybu částic v klasické fyzice. Tato čísla byla použita k reprezentaci proměnných, jako je umístění, rychlost a energie. Ukázalo se však, že tyto faktory nelze stanovit v případě elektronů. Vědci mohli vidět změny v těchto proměnných pouze tehdy, když elektrony vyskočily mezi oběžné dráhy, a tím omezil jejich pozorování. Aby se zabránilo tomuto hlavolamu, Heisenberg se soustředil na to, co bylo vidět, konkrétně na frekvenci a amplitudu světla vyzařovaného během těchto kvantových skoků. Přepsal klasické fyzikální principy a nahradil každou jednotlivou proměnnou tabulkou nebo maticí, která představovala všechny potenciální změny, ke kterým může dojít ve světě. Nicméně, zatímco aritmetika byla velmi složitá, výsledek byl přesně to, co Bohr viděl.
Druhý vědec, Erwin Schrödinger, přijal přístup, který se trochu lišil od ostatních. Bylo to jeho přesvědčení, že elektrony nejsou jen sbírkou částic, které obíhaly kolem jádra, ale že jsou to elektromagnetické vlny, které kolem něj cestovaly. Byl také schopen přesně odpovídat bohrovým zjištěním pomocí přímočařejší matematiky vlnových rovnic. Tam byl, nicméně, zádrhel. Vlny jsou rozptýlené, ale když jsou elektrony detekovány detektorem, jsou jasně definované body nebo částice, na rozdíl od vln.
Jak můžeme sladit tyto zdánlivě protichůdné modely, které navzdory jejich zjevné neslučitelnosti poskytují stejné výsledky? Max Born, třetí myslitel, byl schopen poskytnout řešení. Schrödingerovy vlnové výpočty podle něj nabídly lepší vysvětlení výsledků měření elektronů než Heisenbergovy maticové výpočty, které právě poskytly šanci na takové pozorování. Zdálo se, že v této nové kvantové fyzice elektrony žily nějakým způsobem jako vlny, dokud byly viděny externím pozorovatelem. Pak se zastaví na jednom místě. To mělo za následek nový, matoucí otázka: proč se to stalo?
V důsledku jejich existence, superpozice vyvolávají náročné otázky týkající se povahy reality.
Existuje slavný myšlenkový experiment, který přímočarým způsobem vysvětluje zmatenou oblast kvantové fyziky. Je vybaven kočkou v krabici s podivným gadgetem, který je k ní připojen. Po aktivaci vydává silné sedativum, které pomáhá stvoření spát. Předpokládejme, že gadget je aktivován pouze tehdy, když nastane určitá kvantová událost, jako je rozpad atomu. Dále předpokládejme, že Schrödingerovy rovnice předpovídají, že k této události dojde v daném okamžiku moment v čase s jednou ze dvou šancí. V důsledku toho nebudeme vědět, zda se událost stala nebo ne, dokud neotevřeme krabici. Zdá se, že kočka spí i ve střehu.
Toto se označuje jako kvantová superpozice a stává se to, když jsou ve stejném fyzickém prostoru současně přítomny dvě protichůdné charakteristiky. Protože je to skvěle obtížná představa, trvalo desetiletí, než fyzici a filozofové přišli s uspokojivým vysvětlením, jak to funguje. Nejdůležitější ponaučení, které si z toho vzít, je: v důsledku jejich existence, superpozice vyvolávají náročné otázky týkající se povahy reality. To je známé jako Schrödingerova kočka a slouží k zvýraznění jednoho z nejzákladnějších tajemství kvantové fyziky. Navzdory skutečnosti, že superpozice se zdají být nemožné, vědci ukázali, že existují. Například jeden foton světla se může zdát, jako by cestoval po dvou zcela odlišných cestách! Existuje celá řada konkurenčních teorií o této bizarní realitě, které jsou často označovány jako interpretace.
Myšlenka více vesmírů je jedním z možných vysvětlení. V tomto modelu je koncept kočky spánku i vzhůru přenesen do svého logického závěru. Výsledkem je, že protože šance na spouštění je jedna z každých dvou, dochází k oběma událostem, i když v samostatných časových rámcích, jak je ukázáno výše. Jako pozorovatel žijete také v každém z těchto dalších časových os. Ve skutečnosti, protože existuje neomezený počet kvantových výskytů, existuje nekonečný počet časových os nebo vesmírů, které je třeba zvážit jako výsledek.
Hypotéza skrytých proměnných, která je konkurenční interpretací, se vyhýbá existenci nekonečných vesmírů rozlišením Schrödingerovy vlny od samotné kvantové částice. Podle této teorie existuje pravděpodobnost naznačené Schrödingerem skutečným způsobem, kterému dosud nerozumíme, přestože viditelný fyzický svět má pouze jeden tvar. Výsledkem je, že i když pozorujeme pouze vzhůru kočku, v naší realitě existuje možnost spící kočky.
Existuje však třetí interpretace, známá jako kvantový bayesianismus nebo qbismus, která je úplně jiná. Podle této teorie nejsou Superpozice a Schrödingerovy pravděpodobnosti ničím jiným než informacemi a tyto informace jsou pouze částečně kompletní. Když pozorovatelé otevřou krabici a prohlíží si kočku, získají více znalostí o situaci. Tímto způsobem pozorovatel vytváří kus reality po kousku pozorováním světa kolem sebe. To však vyvolává otázku, kdo je pozorovatel na prvním místě.
Relační interpretace zobrazuje vesmír, ve kterém se všechno neustále mění.
Podle laického chápání kvantové fyziky přetrvávají kvantové superpozice, dokud pozorovatel nezasahuje a neurčuje, co se skutečně odehrává. Výsledkem je, že elektron shlukne v nedefinovaném mraku pravděpodobnosti, dokud vědec nepřijde s detektorem elektronů a pozorováním určuje, kde je elektron skutečně umístěn. Ale co je to s vědcem, díky kterému je tak jedinečný? Existuje o ní něco, co jí dává pozici pozorovatele se zvláštními právy? Její laboratorní kabát, její sofistikované technologické vybavení nebo její přítomnost jako vnímající stvoření se schopností vidět, myslet a být si vědom, jsou všechny faktory jejího úspěchu. Pravda je taková, že žádná z těchto věcí neexistuje. Během relační interpretace kvantové teorie nezahrnuje vidění v konvenčním smyslu slova. Ve skutečnosti může být každý druh interakce považován za pozorování.
Nejdůležitější lekcí je, že relační interpretace zobrazuje svět, ve kterém se všechno neustále mění. Je to trochu nesprávné označení kvantové teorie jako „pozorování“, pokud jde o to. Rozlišuje se mezi přírodním světem fyziky a konkrétním předmětem, často člověkem, který pozoruje tento svět z pozice mimo něj. Relační interpretace kvantové fyziky na druhé straně tento rozdíl eliminuje. Podle tohoto konceptu je každá jednotlivá entita ve vesmíru pozorovatelem i pozorovatelem a je pozorována a pozorována.
Kosmos je naplněn neuvěřitelnou rozmanitostí objektů, od fotonů nebo světelných částic a duhy po kočky, hodiny a galaxie, mimo mnoho dalších věcí. Žádná z těchto entit, které jsou často označovány jako fyzické systémy, nemůže existovat ve vakuu. Neustále spolupracují mezi sebou. A ve skutečnosti určují různé interakce mezi fyzickými systémy. Pokud něco nemá žádné interakce s jinými věcmi, neexistuje v žádném smysluplném smyslu.
Tímto způsobem jsou všechny fyzické vlastnosti, které jsou často označovány jako informace, propojeny dohromady. To znamená, že jsou vždy v toku, objevují se a mizí v závislosti na situaci. To je něco, o čem už víme, že je to pravda. Kvalitu, jako je rychlost, lze objevit pouze zkoumáním vztahu mezi dvěma věcmi. Když chodíte po lodi, vaše rychlost se liší v závislosti na tom, zda ji měří s odkazem na palubu lodi nebo na povrch oceánu.
Představení světa jako nekonečné sítě vztahů, které vytvářejí atributy, se nemusí zdát jako revoluční, ale ve skutečnosti je. Vraťme se k příběhu Schrödingerovy kočky. Zatímco v krabici, kočka buď spí nebo vzhůru v závislosti na jeho blízkosti spoušť, přesto se zvenčí kočka zdá být ani jeden. Obě tato tvrzení jsou správná, protože různé vztahy mají za následek odlišnou realitu, jak bylo uvedeno výše. Záleží na tom, co je v té době zkoumána relační událost nebo referenční rámec.
Relační model zjednodušuje proces kvantového zapletení a odstraňuje jeho mystiku.
Zvažte dva fotony, které jsou v kvantové superpozici, kde jsou jak červené, tak modré zároveň. Nelze určit definitivní podmínku, dokud neučiníme pozorování, stejně jako nemůžeme identifikovat definitivní stav Schrödingerovy kočky, pokud neučiníme. Vzhledem k tomu, že každý foton má dva možné výsledky, každá barva má 50 % pravděpodobnost, že se objeví, když je vidět. Pošlete jeden z těchto fotonů do Vídně a druhého do Pekingu a podívejte se, jak to jde. Pokud se podíváme na Vídeňský foton, uvidíme, že se bude objevit buď červeně nebo modrá. Předstírejme, že je to barva červená kvůli tomuto příkladu. Nyní, když vidíme pekingský foton, mělo by to být asi polovinu trvání pozorovaného vídeňského fotonu.
Tady je však, když se věci začínají být divné. Pokud je Vídeňský foton červený, pekingský foton bude vždy také červený, bez ohledu na okolnosti. Quantum zapletení je jméno dané tomuto zjevně magickému spojení. Nejdůležitější lekcí, kterou z toho odebírá, je: relační model zjednodušuje proces kvantového zapletení a odstraňuje jeho mystiku. Kvantové zapletení je jednou z nejneobvyklejších událostí, které se kdy objevily v oblasti fyziky. Přestože se dva fotony zapletují, jejich vlastnosti korelují nebo shodují, i když jsou odděleny velkou vzdáleností. Samozřejmě je také pár červených rukavic spojeno s prostorem - i když jsou odděleny velkou vzdáleností, zachovávají si stejnou barvu. Dokud však nejsou vidět, pár fotonů v červeno-modré superpozici není ani červená ani modrá. Jak je tedy schopen konkurovat druhému?
Koneckonců, první foton může být schopen nějakým způsobem komunikovat s druhým. Navzdory tomu bylo zapleteno na velké vzdálenosti, přestože by signál musel cestovat rychleji než rychlost světla. Alternativně se pár může před odloučením usadit na odstínu. Kromě toho tuto teorii vylučuje komplikovaná sada rovnic známých jako nerovnosti zvonu. Co se tedy v této situaci přesně děje? Relační model může být schopen poskytnout určité pokyny.
Mějte na paměti, že v rámci tohoto paradigmatu lze atributy nalézt pouze prostřednictvím interakcí. Skutečnost, že žádná entita nemůže vidět jak Vídeň, tak Pekingské fotony současně znamená, že žádný z nich nemá žádné skutečné vlastnosti ve vztahu k druhému. Červený odstín vídeňského fotonu je viditelný pouze v souvislosti s diváky ve Vídni a ne, a ne, a ne, a ne, a ne, a ne na jakémkoli jiném místě. Foton v Pekingu a ve skutečnosti vše v Pekingu zůstává v důsledku toho v očích vídeňanů v kvantové superpozici. Jakékoli srovnání je zbytečné, dokud a dokud se obě strany nevidí.
Tyto zdánlivě nesourodé události však mohou být spojeny dohromady. Vědec ve Vídni může telefonicky komunikovat s kolegou v Pekingu. Tato interakce nebo pozorování poskytuje informace o červeném odstínu vídeňského fotonu, což způsobuje, že se zamotaný foton objevil v důsledku toho. V důsledku toho neexistuje mystické spojení napříč časem a prostorem, ale spíše web vztahů, které je spojují výskyty a poskytování jejich vlastních vlastností.
Filozofie a věda jsou neoddělitelně spojeny v jejich příslušných oborech studia.
Ernst Mach je možná nejdůležitější myslitel, který nebyl nikdy široce propagován. Ve svých rolích vědce a filozofa získala jeho schopnost generovat neočekávané poznatky a náročné myšlení ho fanoušky i kritiky v celé řadě disciplín. Machova práce byla strašně kritizována ruským revolučním Vladimirem Leninem v jeho spisech. Alexander Bogdanov, další revolucionář, se za ně postavil s pomstou. Několik aspektů Machových myšlenek bylo integrováno do epické knihy, The Man bez vlastností, renomovaným spisovatelem Robertem Musilem. Einstein i Heisenberg navíc uznávají Machovy teorie jako významný dopad na jejich vlastní objevy. Jaké byly tedy revoluční myšlenky, které Mach obhajoval, což způsobilo takový ruckus přes říše politiky, umění a fyziky? Jak se ukázalo, navrhl, že vesmír je tvořen pocity, které má podivnou rezonanci s relační kvantovou teorií.
Nejdůležitější lekcí je, že filozofie a věda jsou mezi sebou neoddělitelně spojeny. Během osmnáctého a devatenáctého století filozofický předpoklad známý jako mechanismus řídil většinu vědecké komunity. Na své nejzákladnější úrovni mechanismus tvrdil, že realita fungovala podobným způsobem jako hodiny. Kosmos byl obrovský prázdný kontejner známý jako Space a všechny jevy byly tvořeny hmotou, která v tomto kontejneru přísně interagovala. Podle Ernsta bylo toto paradigma užitečné, ale mělo to svá omezení. Věřil, že koncept mechanismů je příliš metafyzický nebo éterický. Na rozdíl od toho věřil, že věda by se měla soustředit na to, co lze vidět, konkrétně na pocity, které vznikají, když komponenty interagují. Pokud to zní povědomě, je to proto, že Heisenberg byl motivován stejným konceptem ke studiu chování elektronů, což nakonec vedlo k objevu kvantové teorie.
Na druhé straně Machovy nápady mají mnohem širší aplikaci. Fyzické věci podle jeho pohledu na realitu nejsou autonomními komponenty, které mechanicky interagují, ale spíše výsledkem těchto interakcí, které vytvářejí svět. A pozorovatelé nejsou považováni za odlišné od systému jako celku. Také mají pouze smyslové porozumění vesmíru získanému prostřednictvím setkání. Zdá se, že tato myšlenka je opět předstíráním relační interpretace kvantové fyziky, podle které vlastnosti neexistují izolovaně od jejich prostředí.
Tvrdit, že Mach měl předzvěst znalosti kvantové fyziky, neznamená, že to udělal. Machovo pozorování na druhé straně ukazuje důležitou interakci mezi vědou a filozofií. Heisenberg možná neučinil své klíčové zjištění, pokud by Mach nezohlednil a přilepil se k myšlenkám mechanismu s tak přísnou dodržování. V podobném duchu se mohou moderní filozofové zapojit do posledních vědeckých porozumění, aby zaostřili a zlepšili své vlastní názory na realitu a vesmír. Jak se tedy to všechno hraje, když se aplikuje na obtížné téma, jako je vědomá myšlenka? O tom bude podrobněji diskutováno v následující části.
Zkoumání vztahů a korelací může poskytnout vhled do fungování mysli.
Pouhé procházení Internetu na několik minut odhalí nepřeberné množství inovativních aplikací kvantových nápadů (nebo správněji nesprávných aplikací) v různých oblastech. Guruové chválí kvantový spiritualismus, podvodníci propagují kvantovou terapii a technici oslavují mimo jiné VŠECHnY druhy kvantových nesmyslů. Zdá se, že vnitřní podivnost kvantové fyziky má způsob, jak podnítit představivost těch, kteří se o ni zajímají. Může kvantová teorie, na druhé straně ruka, poskytnout světlo na základní otázky života? Je schopen vysvětlit lásku, objasnit původ krásy a pravdy nebo poskytnout smysluplné vysvětlení existence? Ne, vůbec ne. Aplikace myšlenek relační kvantové teorie na téma, jako je povaha vědomí, však může otevřít nové cesty studia a zkoumání tohoto jevu.
Nejdůležitější lekce, kterou si z toho vzít, je: zkoumání vztahů a korelací může poskytnout vhled do fungování mysli. Filozofie mysli obecně poskytuje tři hlavní modely lidské mysli. Existuje dualismus, který si myslí, že mysl existuje jako odlišná, téměř duchovní entita od těla a zbytku vesmíru. Na jedné ruce, existuje idealismus, který si myslí, že mysl zahrnuje a odpovídá za vše, co existuje. Na druhé straně existuje naivní materialismus, který si myslí, že duševní zážitky jsou jen výsledkem základních fyzických procesů.
Relační kvantová teorie může poskytnout poněkud odlišný pohled na mysl než tradiční kvantová teorie. Je důležité zvážit význam fráze, abychom ji pochopili. Význam významu v lidském poznání nelze přeceňovat. Když vidíme znamení, čteme slova nebo přemýšlíme o nápadech, víme, že něco znamenají, protože se týkají nebo naznačují něco vnějšího pro nás ve fyzickém vesmíru. Podle německého filozofa Franze Brentana, záměrnost je proces, kterým spolu komunikujeme a nacházíme cestu realitou.
Jak však vzniká záměrnost? Jedním ze způsobů, jak tuto otázku řešit, je podívat se na relevantní související fakta. Relativní informace je korelace, ke které dochází, když dva systémy spolu komunikují. Padající skála je příkladem relativní informace, která je vytvořena, když vnější položka, skála, koreluje s vnitřním stavem, určením vašeho mozku o sestupu skály. Když se tyto znalosti stanou důležitými, je to proto, že ovlivňují reakci vašeho těla, což znamená uhnout z cesty všemu, co se děje.
V této situaci je záměrnost vytvářena informacemi vytvořenými vztahy mezi vnějškem a interiérem: pohled na padající skálu signalizuje nebezpečí a v důsledku těchto informací se jí vyhnete. Fyzikální procesy, které probíhají v různých systémech, jsou samozřejmě v tomto popisu popsány pouze stručně. Skutečnost, že jste se museli vyhnout skále, Vám neříká nic o vaší konkrétní zkušenosti. Je obtížnější vysvětlit, jak takový subjektivní zkušenost přichází být. Toto je označováno jako "těžká otázka" vědomí a je i nadále zdrojem kontroverze.
Studium kvantové fyziky může otevřít naše oči novým pohledům na vesmír.
Co vidíte, když se podíváte na kočku? Co vidíte? Vnímání, podle konvenčního pojetí zraku, se primárně týká získávání informací. Pomocí tvaru kočky, vlasů a vousů se fotony odrážejí a vstupují do očí. Vaše sítnice přeměňují světlo na signál, který je pak odeslán do vašeho mozku. Nakonec vaše neurony převádějí informace do obrázku rozkošné kočky, což je to, co vidíte. To však není úplně pravda. V realita, váš mozek dělá předpovědi o tom, co by vaše oči měly vidět. Oči nadále sbírají světlo, ale přenášejí pouze signály, které jsou v rozporu s předchozím obrázkem. Právě tyto rozdíly mezi tím, co očekáváme, a tím, co vidíme, nám poskytují kritické znalosti, které potřebujeme, abychom pochopili vnější svět. Nejdůležitější ponaučení, které si z toho můžeme odnést, je: studium kvantové fyziky může otevřít naše oči novým pohledům na vesmír.
Pomocí pojmu známého jako projektivní model povědomí můžeme poskytnout druhé vysvětlení zraku, ve kterém mozek hraje vedoucí roli. Mozek podle tohoto pohledu vytváří vědomí neustálým zlepšováním svých předsudků a mentálních reprezentací v reakci na informace shromážděné našimi smysly. To znamená, že naše vnímání reality je "potvrzená halucinace", která se neustále aktualizuje a vyvíjí. V některých ohledech jsou věda a filozofie založeny na stejné nápady. Lidstvo vytváří jediný obraz toho, jak svět funguje, a pak, prostřednictvím zkušeností a experimentů, objevujeme všechny způsoby, jak se realita liší od této představy o tom, jak svět funguje, a odporuje jí. Samozřejmě, zatímco náš mozek dokončí tento proces ve zlomku sekundy, věda jej dokončí ve značně delším časovém období. Testování a vývoj nových nápadů vyžaduje komunitu, a dokončení procesu trvá desetiletí.
Naše teorie kvantové fyziky, které zahrnují relační interpretaci, jsou jen nejnovějším projevem tohoto nepřetržitého procesu vývoje. V současné době nám poskytují nejpřesnější reprezentaci reality na základě toho, co můžeme vidět, zmapovat a měřit v současnosti. V každém případě je to však docela zvláštní obrázek. Relační kvantová fyzika zobrazuje vesmír, ve kterém objekty, které jsou statické a stabilní, neexistují. Na rozdíl od diskrétních věcí interagujících v prostor, realita se skládá výhradně z sítě interakcí, ve kterých se události sbíhají a rozptýlí v nekonečné pěně. I my se dostáváme do víru mezilidských vztahů. Je možné, že tato neustálá palba spojení je zodpovědná za naši samotnou identitu nebo subjektivitu. Vidět svět tímto způsobem se může zdát divné, dokonce halucinogenní, ale prozatím byla tato halucinace ověřena a měli bychom počkat a uvidíme, kam nás povede dál.
Závěr románu Helgoland.
Tyto poznámky vyjadřují následující hlavní poselství: na začátku dvacátého století, kádr mladých vědců, zejména alergický Werner Heisenberg, začal dekonstruovat konvenční chápání fyziky. Jejich paradigma kvantového vesmíru, které se vyznačuje nejistotou a pravděpodobností, nahradilo předchozí deterministický a mechanický model světa. Podle relační interpretace kvantové fyziky je kvantová realita složena z sítě nestabilních spojení-to, co je skutečné a pravdivé, se může změnit v závislosti na tom, které vztahy probíhají.
Koupit knihu-Helgoland od Carla Rovelliho
Napsal BrookPad Tým založený na Helgolandu Carlo Rovelli