Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej

Slides:



Advertisements
Podobne prezentacje
Czy Bóg gra w kości? Andrzej Łukasik Instytut Filozofii UMCS
Advertisements

Wykład dla doktorantów (2013) Wykład 4
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Kwantowe własności atomu
dr inż. Monika Lewandowska
WYKŁAD 6 ATOM WODORU W MECHANICE KWANTOWEJ (równanie Schrődingera dla atomu wodoru, separacja zmiennych, stan podstawowy 1s, stany wzbudzone 2s i 2p,
Wstęp do fizyki kwantowej
Czyli czym się różni bit od qubitu
kurs mechaniki kwantowej przy okazji: język angielski
Budowa atomu.
Wykład XII fizyka współczesna
Wykład IX fizyka współczesna
Wykład III Fale materii Zasada nieoznaczoności Heisenberga
FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Falowe własności materii
Podstawy fotoniki wykład 6.
Program przedmiotu “Metody statystyczne w chemii”
1/21 Paradoks EPR i kwantowa teleportacja Andrzej Kasprzak Warszawa,
WYKŁAD 1.
Prowadzący: Krzysztof Kucab
Co to jest teoria względności?
Symulacje komputerowe
O FIZYCE Podstawowe pojęcia.
Fizyka XX wieku.
Kwantowa Teleportacja
Świadomość a paradoksy mechaniki kwantowej
II. Matematyczne podstawy MK
Pojęcie materii w fizyce współczesnej
Filozofia Andrzej Łukasik Instytut Filozofii UMCS
Filozofia przyrody Wykład 6. Determinizm i indeterminizm
Elementy relatywistycznej
Elementy chemii kwantowej
Pojęcie materii w fizyce współczesnej
Dziwności mechaniki kwantowej
Nasz kwantowy umysł Andrzej Łukasik Instytut Filozofii Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Kwantowa natura promieniowania
Paradoksy mechaniki kwantowej a filozofia
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE Monika Jazurek
Treści multimedialne - kodowanie, przetwarzanie, prezentacja Odtwarzanie treści multimedialnych Andrzej Majkowski informatyka +
od kotków Schroedingera do komputerów kwantowych
Kot Schroedingera w detektorach fal grawitacyjnych
Fale de broglie’a Zjawisko comptona dyfrakcja elektronów
Mechanika Kwantowa dla studentów II roku (2015) (Wykład 2+3+4)
Kwantowa teoria umysłu Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Mechanika kwantowa dla kognitywistów Wykład 1 W stronę kognitywistyki kwantowej Andrzej Łukasik Instytut Filozofii Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej.
Czym jest to co zwiemy nauką A. Chalmers, rozdziały I-III
Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej
Dynamika punktu materialnego Dotychczas ruch był opisywany za pomocą wektorów r, v, oraz a - rozważania geometryczne. Uwzględnienie przyczyn ruchu - dynamika.
ZASADA NIEOZNACZONOŚCI HEINSENBERGA
Efekt fotoelektryczny
Zakaz Pauliego Kraków, Patrycja Szeremeta gr. 3 Wydział: Górnictwa i Geoinżynierii Kierunek: Zarządzanie i Inżynieria Produkcji.
Chemia jest nauką o substancjach, ich strukturze, właściwościach i reakcjach w których zachodzi przemiana jednych substancji w drugie. Badania przemian.
Równanie Schrödingera i teoria nieoznaczności Imię i nazwisko : Marcin Adamski kierunek studiów : Górnictwo i Geologia nr albumu : Grupa : : III.
Budowa atomu Poglądy na budowę atomu. Model Bohra. Postulaty Bohra
Zakaz Pauliego Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Wojciech Sojka I rok II st. GiG, gr.: 4 Kraków, r.
Równania Schrödingera Zasada nieoznaczoności
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Elementy fizyki kwantowej i budowy materii
Elementy fizyki kwantowej i budowy materii
Wkład fizyków do mechaniki kwantowej
Podstawy teorii spinu ½
Mechanika kwantowa jako źródło nowych problemów filozoficznych
Mechanika kwantowa jako źródło nowych problemów filozoficznych
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Historyczny rozwój pojęcia atomu Oleh Iwaszczenko 7a.
Problem pomiaru w mechanice kwantowej
Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
„Upiorne działanie na odległość” Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
Podstawy teorii spinu ½
II. Matematyczne podstawy MK
Zapis prezentacji:

Filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej Andrzej Łukasik Instytut Filozofii Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej lukasik@bacon.umcs.Lublin.pl www.umcs.lublin.pl

Mechanika kwantowa… … i filozofia 90 lat nieustannych sukcesów w poznaniu mikroświata (W. Heisenberg – 1925, E. Schrödinger – 1926) Najdoskonalsza i najdokładniejsza teoria w historii nauki (moment magnetyczny elektronu – dokładność 10-11) Bogactwo zastosowań praktycznych (fotokomórki, lasery, komputery…) Przełomowe pojęcia: superpozycja, nieoznaczoność, komplementarność, splątanie… – zagadki i paradoksy – nieadekwatność zdroworozsądkowego obrazu świata … i filozofia QM jako źródło nowych problemów filozoficznych – niemożliwych do postawienia i rozważania poza kontekstem teoretycznym teorii. www.umcs.lublin.pl

Zagadnienie kategorii ontologicznej mikroobiektów CM cząstki – niepodzielne, niezmienne, dobrze zlokalizowane czasoprzestrzennie, zindywidualizowane substancjalne byty jednostkowe, posiadające pewien zestaw obiektywnych właściwości rzeczy – jednostkowość, konkretność, dookreśloność charakterystyki treściowej, trwanie w czasie fale – proces: drgania ośrodka materialnego (obiekty niesamoistne) QM dualizm korpuskularno-falowy: pojedyncze mikroobiekty wykazują w różnych sytuacjach własności falowe i korpuskularne Czy elektrony, fotony itd. można zaliczyć do ontologicznej kategorii rzeczy? www.umcs.lublin.pl

Niels Bohr – zasada komplementarności Dwa wykluczające się nawzajem z punktu widzenia fizyki klasycznej opisy mikroobiektu (jako cząstki albo jako fali) należy uznać za komplementarne, to znaczy odnoszące się do różnych wykluczających się nawzajem sytuacji obserwacyjnych i uzupełniające się do całości. Komplementarne opisy uzupełniają się do pełnej wiedzy o układzie. Problem: brak poglądowego modelu mikroobiektów, niewyobrażalność mikroświata, niemożliwość obiektywizacji rezultatów doświadczenia, nieadekwatność tradycyjnych kategorii ontologicznych… Pojęcia „cząstki” i „fali” jako metafory www.umcs.lublin.pl

Zagadnienie dookreśloności charakterystyki treściowej mikroobiektów rzeczy – dookreśloność charakterystyki treściowej QM – wielkości fizyczne mierzalne (obserwable) reprezentowane przez operatory hermitowskie w zespolonej przestrzeni Hilberta Dla niekomutujących operatorów pary wielkości sprzężonych nie przysługują cząstce kwantowej równocześnie (nie można ich równocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością) Przykład: zasada nieoznaczoności Heisenberga Problem: czy mikroobiekty mają „miejsca niedookreślenia”? www.umcs.lublin.pl

Zagadnienie indywidualności cząstek identycznych Leibniz: zasada identyczności obiektów nieodróżnialnych (principium identitatis indiscernibilium): „Nie istnieją nierozróżnialne dwa indywidua […] Jeśli dane są dwie rzeczy nierozróżnialne, to dana jest rzecz ta sama pod dwiema nazwami”. Duns Szkot: haecceitas (ecceitas) Współczesna terminologia: haecceity, primitive thisness, transcendental indyviduality Cząstki klasyczne (rozróżnialne): statystyka Maxwella–Boltzmanna. Dla n cząstek i m dostępnych dla nich stanów liczba możliwych układów: NM–B (n, m) = mn Dla dwóch cząstek klasycznych 3 i 4 reprezentują różne sytuacje fizyczne 1 AB 2 3 A B 4 www.umcs.lublin.pl

Zagadnienie indywidualności cd. Bozony: statystyka Bosego–Einsteina dla n cząstek i m stanów: NB–E (n, m) = Stan 3 (symetryczny) jest liniową superpozycją stanów 1 i 2. Permutacja stanów cząstek nie prowadzi do powstanie nowego stanu rzeczy (nierozróżnialne). Fermiony: statystyka Fermiego-Diraca (zakaz Pauliego) NF–D (n, m) = 1 XX 2 3 X 1 X www.umcs.lublin.pl

Zagadnienie indywidualności – problemy Jak rozumieć stan symetryczny? …cząstka elementarna znajduje się „częściowo” w stanie 1 i „częściowo” w stanie 2… Czy w mechanice kwantowej naruszona jest zasada Leibniza, czy mikroobiekty nie są indywiduami, do których nie stosuje się pojęcie numerycznej odrębności? Propozycje (P. Teller): analogia między monetami w banku (indywidua – klasyczne cząstki) a gospodarką bezgotówkową (jednostki na koncie) www.umcs.lublin.pl

Problem pomiaru CM: pomiar odzwierciedla obiektywny stan rzeczy – otrzymujemy informację o własnościach obiektu, jakie posiadał przed pomiarem i niezależnie od pomiaru QM: zasadniczo różne procedury stosowane do opisu układu swobodnie ewoluującego U i procesu pomiaru R U: równanie Schrödingera (ciągłość, determinizm) R: redukcja wektora stanu (nieciągłość, indeterminizm) Przed pomiarem (superpozycja stanów): Pomiar (redukcja): Prawdopodobieństwo www.umcs.lublin.pl

Mechanika kwantowa i granice poznania CM – ideał deterministycznej przewidywalności (demon Laplace’a) „Jeśli oryginalnym celem fizyki było – a wszyscy sądzili, że tak właśnie było – poznanie praw, które pozwolą w danej sytuacji przewidzieć, co się stanie dalej, to w pewnym sensie fizycy skapitulowali”. (R. P. Feynman) „Nie jesteśmy w stanie opisać tego, co się dzieje między dwiema następującymi po sobie obserwacjami” (W. Heisenberg) Problemy: Dlaczego w QM obowiązują dwie różne procedury (U, R)? Czym pomiar różni się od innych oddziaływań? Jakie czynniki odpowiedzialne są za redukcję wektora stanu? www.umcs.lublin.pl

Paradoks kota Schrödingera E. Schrödinger (1935) – eksperyment myślowy, mający wykazać absurdalność kopenhaskiej interpretacji QM Przed pomiarem układ znajduje się w superpozycji stanów: Pomiar: redukcja wektora stanu: kot żywy albo martwy Problem: czy układ makroskopowy (np. kot) może znajdować się w superpozycji stanów? Czy do wykonania pomiaru potrzebny jest świadomy obserwator? www.umcs.lublin.pl

Interpretacje mechaniki kwantowej a ontologia świata realnego Wielość interpretacji QM – brak jednolitej wizji świata Interpretacja kopenhaska (Bohr, Heisenberg) – celem nauki jest „ustanowienie ilościowych zależności między wynikami pomiarów” (antyrealizm) Wielość interpretacji – Wiele światów (Everett, Deutsch), ukryty porządek (Bohm), interpretacja transakcyjna (Cramer), całki po trajektoriach (Feynman), obiektywna redukcja (Penrose) – interpretacje empirycznie równoważne implikują radykalnie odmienne ontologie… www.umcs.lublin.pl

Eksperyment z opóźnionym wyborem J. A. Wheeler Możemy zdecydować, czy zablokować jedną z dróg już po tym, jak foton oddziaływał z BS1 Zablokowanie – foton porusza się po drodze d albo po u – może trafić do D1 lub D2 Następuje redukcja wektora stanu fotonu albo Obie drogi otwarte – interferencja, foton porusza się po dwóch drogach równocześnie Problem: jak nasza decyzja może mieć wpływ na zachowanie fotonu w przeszłości? Wersja kosmiczna eksperymentu – źródło fotonów: kwazar odległy o 5 mld lat: Foton został wyemitowany, gdy nie istniała jeszcze Ziemia. Zblokowanie jednej drogi – foton porusza się po jednej drodze Obie drogi otwarte – foton porusza się po dwóch drogach równocześnie www.umcs.lublin.pl

Pomiar zerowy Problem testowania bomb Elitzura I Vaidmana Bomby mają zapalniki zepsute albo sprawne Zapalnik (przymocowany do Z1) reaguje nawet na pojedynczy foton (wybuch) Jak wyselekcjonować sprawne bomby? CM – zadanie nie ma rozwiązania. QM: Bomba zepsuta – zapalnik działa jak zwierciadło: interferencja – fotony docierają do D1 Bomba sprawna – zapalnik działa jak przyrząd pomiarowy (redukcja wektora stanu) 1. Redukcja oddziaływanie – tracimy bombę 2. Redukcja brak oddziaływania – bomba sprawna (fotony do D2) Pomiar bez oddziaływania: przyrząd (zapalnik bomby) dokonuje pomiaru, że foton do niego nie dotarł. Problem: czy przyczyną zdarzeń mogą być kontrfakty – zdarzenia, które się nie zdarzyły, choć mogły się zdarzyć. www.umcs.lublin.pl

Kwantowe splątanie a stosunek całości do części 1935 Eksperyment myślowy A. Einsteina, B. Podolskiego i N. Rosena Stan splątany stan układu złożonego jest dobrze określony, stany poszczególnych cząstek w ogóle nieokreślone – antyredukcjonizm Pomiar spinu jednej cząstki w A ustala stan spinu drugiej cząstki w dowolnie odległym obszarze B bez fizycznego oddziaływania (Einstein: „upiorne działanie na odległość”) J. Bell (1964) – nierówność Bella, założenia: realizm + lokalność A. Aspect (1982) – empiryczna falsyfikacja nierówności Bella Problem: możliwość lokalnej i realistycznej interpretacji QM www.umcs.lublin.pl

QM a problem obiektywności poznania „…wyniku obserwacji nie możemy uznać za całkowicie obiektywny i nie możemy opisać tego, co zachodzi pomiędzy jednym pomiarem a drugim. Zdaje się to świadczyć, że wprowadziliśmy do teorii element subiektywizmu i że trzeba powiedzieć: to, co zachodzi, zależy od naszego sposobu obserwacji a nawet od samego faktu obserwacji” (W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, 33) „Tak jak zasada względności wyraża istotną zależność każdego zjawiska od układu odniesienia określającego położenie w czasie i przestrzeni, tak zasada komplementarności symbolicznie wyraża zachodzące w fizyce atomowej podstawowe ograniczenie obiektywnego istnienia zjawisk niezależnych od ich środków obserwacji” (N. Bohr, Fizyka atomowa a wiedza ludzka, 17-18) www.umcs.lublin.pl

QM a prawdopodobieństwo i logika kwantowa G. Birkhoff i J. von Neumann (The Logic of Quantum Mechanics, 1936) – mechanika kwantowa zakłada różną od klasycznej logikę, zwaną logiką kwantową. Interpretacja rachunku podprzestrzeni przestrzeni Hilberta jako rachunku zdań oraz interpretacja iloczynu, sumy i dopełnienia ortogonalnego podprzestrzeni jako spójników „i”, „lub” oraz „nie” - dla operatorów rzutowych reprezentujących wielkości fizyczne, zwane sprzężonymi, odpowiadający im rachunek zdań nie tworzy algebry Boole’a. W logice kwantowej w odróżnieniu od logiki klasycznej nie jest spełnione prawo rozdzielności: Problem : czy logika jest empiryczna (np. H. Putnam)… www.umcs.lublin.pl