Omiljena legenda kroz nauku - Djed Mraz i kvantna fizika

31.12.2020 10:39

Debeljuškasti Djed Mraz, prepoznatljivi irvasi i zeleni vilenjaci asociraju samo na radost i praznike.

Iako mnogi kažu da nikad nisu vidjeli Djeda Mraza i da on u stvari ne postoji, te da je nemoguće da za jednu noć dostavi sve paketiće, "naučna" analiza ovog fenomena vodi u niz teško rješivih problema, ali rješivih. Doduše, ako se umjesto klasične fizike uključi kvantno razmišljanje, može se doći do neočekivanih, ali vjerodostojnih odgovora.

Ako pretpostavimo da u trenutnim geopolitičkim okolnostima novogodišnje paketiće dobija bar četvrtina planete, može se procijeniti da Djed Mraz mora da podijeli čak 750 miliona poklona u toku samo jedne noći. To znači da je ukupna zapremina svih poklona 1,5 miliona kubnih metara i da sanke s irvasima na sebi vuku teret koji zauzima prostor kao i 600 prosječnih desetospratnih zgrada. Ako nijedan poklon nije teži od pola kilograma, ukupna masa svih poklona je bar 375.000 tona.

Mada se ona polako smanjuje u toku noći dok Djed Mraz dijeli poklone, nema klasičnog objašnjenja kakvim vozilom je moguće pokrenuti toliki teret. Čak i ako su irvasi čarobni, energija koju bi svaki od njih oslobađao za pokretanje tolikog tereta prevazilazi oslobođenu energiju u eksploziji nad Hirošimom, što je prilično nezgodno. Zato je neophodno problem razmotriti ne sa klasične, već sa kvantnomehaničke strane.

Djed Mraz poklone dijeli između 21 čas uveče i sedam sati ujutru 1. januara, a ako se u obzir uzme da se planetom kreće u smjeru s istoka na zapad i da prati vremenske zone, za cijeli posao na raspolaganju ima svega 34 sata. Kako bi stigao da za to vrijeme obiđe svih 100 miliona kvadratnih kilometara kopnenog dijela Zemlje i posjeti bar 750 miliona kuća, Djed Mraz bi se morao kretati brzinom od bar 25.000 kilometara u sekundi, koja je skoro deseti dio brzine svjetlosti. Dakle, već ove grube procjene ukazuju da tu svakako ne može biti riječ o klasičnom makroskopskom fenomenu.

Gdje se nalazi?

Sa stanovišta kvantne mehanike nije nemoguće da se samo jedan Djed Mraz pojavi na svim mjestima odjednom. Za početak, dovoljno je da se ustanovi koliko je moguće da bude na dva mjesta odjednom. Da bi se razumjelo o čemu je tu riječ, nije na odmet pogledati slavni eksperiment iz fizike s elektronom i dva otvora. Pokušavajući da saznaju kojim putem ide elektron prije nego što udari u zastor, fizičari su ovaj eksperiment konstruisali tako da on prije toga može proći kroz otvor 1 ili otvor 2. Međutim, sasvim ozbiljna, hiljadama puta ponovljena mjerenja u raznim laboratorijama pokazuju da jedan elektron može proći istovremeno kroz oba otvora i potom sam napraviti takozvanu interferenciju na zastoru. Prema takozvanom Kopenhaškom tumačenju kvantne mehanike, kojem je kumovao fizičar Nils Bor, elektron kao kvantni objekat ne mora biti samo u jednom ili drugom stanju, već i u zbiru dva stanja.

Ovu osobinu koja je jako strana ljudskoj intuiciji opisuje sasvim nova matematika koju su fizičari razvili tokom 20. vijeka, a nju pokazuju sve kvantne čestice koje su, inače, dovoljno male da pripadaju mikroskopskom svijetu. Međutim, postoje i veliki, makroskopski kvantni fenomeni. Možda je Djed Mraz jedan od njih.

U kom stanju se nalazi Djed Mraz?

U kvantnoj mehanici neki objekat može biti u stanju 1, u stanju 2, ali i u stanju 1+2. To se stanje stručno naziva koherentna superpozicija (zbir) stanja. Jednostavno rečeno, kvantna mehanika tvrdi da ako stanje 1 znači da čestica prolazi kroz otvor 1, a stanje 2 da prolazi kroz otvor 2, onda je sasvim moguće da čestica prolazi i kroz otvor 1 i kroz otvor 2 istovremeno, odnosno da se nalazi u koherentnom stanju 1+2.

Zapanjujuće je da to sasvim evidentno potvrđuju eksperimenti za sve kvantne čestice, to jest one koje žive u svijetu srazmjernom Plankovoj dužini. Ako zamislimo da je nekako i Djed Mraz kvantni fenomen, dok dijeli poklone, on trenutno može obilaziti kuću 1, kuću 2, ali i kuću 1+2. Dakle, Djed Mraz može biti u superpoziciji više stanja. Kvantna mehanika zapravo dozvoljava da Djed Mraz odjednom bude u superpoziciji svih 750 miliona stanja, koliko ima kuća koje treba da obiđe. Funkcija koja bi ga u kvantnoj mehanici opisala podrazumijevala bi zbir svih tih stanja. To znači da tokom samo jedne noći Djed Mraz može bez mnogo žurbe, bez relativističkih brzina i nadrealnog pogona za irvase, ostavljati jedan ili nekoliko poklona u jednoj kući, jer će, budući da je u superpoziciji stanja, to isto činiti na svim lokacijama, isto kao i elektron koji istovremeno prolazi kroz više otvora. Međutim, cijeli trik je u tome da nikada ne pokušamo ustanoviti da li je trenutno baš u našoj, jednoj izabranoj kući - kvantnomehanički odgovor je da se u svakoj od kuća dobija odgovor kako je baš u njoj.

Zašto je Djed Mraz neuhvatljiv?

Nasuprot mogućnosti da jedna čestica u istom trenutku bude u više stanja, kvantna mehanika ne dopušta da bilo kakvo mjerenje bude nezavisno od onoga ko ga izvodi. Ako pokušamo da otkrijemo u kojoj kući je tačno Djed Mraz, odmah ćemo uticati na njega, isto kao što i eksperimentator uvijek utiče na kvantni sistem. Kad god pokušamo da vidimo da li je elektron u stanju 1, dobijamo da je upravo u tom stanju. Ako u slučaju elektrona zatvorimo otvor 2, odmah otkrivamo da je elektron prošao kroz otvor 1. Ako zatvorimo 1, elektron zatičemo na otvoru 2. A, kao što je rečeno, kad su otvorena oba otvora i ničim ne mjerimo gdje je tačno, elektron se ponaša kao da je na oba mjesta istovremeno. Samo mjerenje u kvantnoj mehanici uvijek podrazumijeva takozvani kolaps talasne funkcije u jedan položaj. Ako bi ga neko dijete vidjelo, njegov položaj bi bio izmjeren, došlo bi do kolapsa talasne funkcije Djeda Mraza i ispostavilo bi se da je on bio baš u toj kući i da nije bio u drugim kućama, što nije tačno, jer sva dobra djeca pronalaze njegove poklone ispod jelke.

Centralna zamisao ovdje predstavljenog kvantnomehaničkog Djeda Mraza potpuno je zasnovana na idejama iz kultnog naučnopopularnog teksta fizičara Marka Vojinovića "Deda Mraz kao makroskopski kvantni fenomen", koji je svojevremeno objavljen u "Mladom fizičaru" broj 97, a potom i u "Vremenu nauke" broj 21.

Ideja ovog eksperimenta je da na primjeru Djeda Mraza, koji je svojom veličinom makroskopski objekat, demonstrira inače teško razumljive zakonitosti kvantne mehanike koje inače uredno važe u svijetu mikroskopskih čestica (i čije su tehnološke primjene danas svuda rasprostranjene). Nigdje se, naravno, ne tvrdi ništa o realnoj egzistenciji Djeda Mraza - nije da on uopšte postoji, ali ni da ne postoji.

 

(nezavisne.com)