Галимнәр еш кына мондый хәлгә юлыга: кайбер теорияләрне тәҗрибә юлы белән дәлилләү авыр яки гомумән мөмкин түгел. Мәсәлән, сүз яктылык тизлегендәге хәрәкәт яки физикадагы кара тишекләр турында барганда. Бу очракта фикер экспериментлары ярдәмгә килә. Сезгә кайберләрендә катнашып карарга тәкъдим итәбез.
Фикер экспериментлары – билгеле бер мантыйклы фикер нәтиҗәләренең эзлеклелеге ул. Аларның төп максаты – теориянең кайбер сыйфатын билгеләү, яхшы мисал формулаштыру, яки берәр фактны дәлилләү. Гомумән алганда, һәрбер исбатлау азмы күпме дәрҗәдә фикер экспериментыннан гыйбарәт. Әлеге күнегүләрнең төп өстенлеге шунда ки, алар өчен бернинди дә җиһаз таләп ителми, ә кайчакта хәтта махсус белем дә кирәк түгел (мәсәлән, зур адрон коллайдеры экспериментының нәтиҗәләрен эшкәрткәндәге кебек). Үзегезгә җайлырак итеп утырыгыз, без башлыйбыз.
Шрөдингер мәчесе
Мөгаен, иң атаклы фикер тәҗрибәсе мәче экспериментыдыр. Ул 80 ел элек Эрвин Шрөдингер тарафыннан тәкъдим ителә. Тәҗрибәнең контекстыннан башлыйк. Ул вакытта квант механикасының әле башланып кына ята һәм аның гадәти булмаган кануннары каршылыклы булып тоела. Ул законнарның берсе мондый: квант кисәкчәләре суперпозициядә 2 халәттә генә була ала: мәсәлән, сәгать әйләнеше яки аңа каршы юнәлештә берьюлы хәрәкәтләнә алалар.
Эксперимент. Күз алдыгызга зур герметик тартма китерегез. Аның эчендә мәче, һава, Гейгер хисаплагычы һәм ярымтаркалу вакыты билгеле булган радиоактив изотоп бар ди. Гейгер хисаплагычы атомның таркалуын белүгә үк, махсус механизм агулы газлы ампуланы вата һәм мәче һәлак була. Ярым таркалу вакытыннан соң изотоп 50 процент ихтималлык белән таркала һәм шул ук ихтималлыкта исән дә кала ала. Димәк, мәче дә яки исән, яки юк –нәкъ халәтләрнең суперпозициясендә торган кебек.
Интерпретация. Шредингер суперпозицияне абсурд хәленә җиткереп, аның каршылыклы булуын күрсәтергә теләгән: мәче сыман зур система берүк вакытта исән дә, үле дә була алмый. Шуны да билгеләп үтәргә кирәк: квант механикасы күзлегеннән, Гейгер хисаплагычы төшнең тракалу вакытында эшләп киткән мизгелдә үлчәү күренеше барлыкка килә, бу исә классик макроскопик объект белән тәэсир итешү була. Нәтиҗәдә суперпозиция таркалырга тиеш.
Шунысы кызык, физиклар мәчене суперпозициягә кертүгә охшаш тәҗрибәләр үткәрәләр инде. Ләкин мәче урынына алар микромир үлчәмнәре өчен зур саналган башка объектларны, әйтик, молекулаларны кулланалар.
Игезәкләр парадоксы
Әлеге фикер экспериментын еш кына Эйнштейнның чагыштырмалылык теориясен тәнкыйтьләгәндә кулланалар. Ул яктылык тизлегенә якын тизлекләрдә хәрәкәт иткән вакытта хәрәкәтләнүче объект белән бәйле исәпләү системасында вакыт агышы әкренәюгә нигезләнгән.
Эксперимент. Күз алдыгызга яктылык тизлегенә якын тизлек белән хәрәкәт итә торгна ракеталар булган ерак киләчәкне китерегез. Дөньяда ике игезәк бар, берсе — сәяхәтче, икенчесе — өйдә утыручы. Сәяхәтче шундый бер ракетага утырып сәяхәт итеп кайтты дип күз алдына китерик. Җиргә карата яктылык тизлегенә якын тизлек белән очканда, аның өчен вакыт өйдә утыручыга караганда әкренрәк үтә. Димәк, ул җиргә кайтканда туганыннан яшьрәк булачак. Икенче яктан, аның туганы да ракетага чагыштырма рәвештә яктылык тизлегенә якын тизлек белән хәрәкәт итә. Димәк, ике туганның халәтләре күпмедер мәгънәдә эквивалент һәм алар очрашканда берүк яшьтә булырга тиешләр.
Интерпретация. Чынлыкта сәяхәтче һәм өйдә утыручы эквивалент түгел, шуның өчен сәяхәтче яшьрәк булырга тиеш. Шунысы кызык, әлеге эффект хәзерге экспериментларда да кулланыла: яктылык тизлегенә якын тизлек белән сәяхәт итә торган кыска гомерле кисәкчәләр, вакыт әкренәю сәбәпле, озаграк «яшиләр». Әгәр дә әлеге нәтиҗәне фотоннар өчен дә куллансак, алар бөтенләй тукталып калган вакытта яши кебек килеп чыгачак.
Эйнштейн лифты
Физикада массаның берничә төшенчәсе бар. Мәсәлән, гравитацион масса — тәннең гравитацион бәйләнешкә керү үлчәме. Нәкъ менә ул безне диван, кресло яки метро утыргычына утырта. Инерцион масса бар. Ул безнең тизләнеп бара торган координаталар системасында үз-үзебезнең тотышын күрсәтә (ул безне кузгалып китүче поездта артка этелеп китәргә мәҗбүр итә). Күргәнегезчә, әлеге массаларның тигезлеге бик күренеп тормый.
Чагыштырмалылык теориясенең нигезендә эквивалентлык мәсләге ята: гравитацион көчләрне инерция псевдокөчләреннән аерып булмый дигән сүз бу. Моны аңлатуның бер ысулы киләсе тәҗрибәдә чагыла.
Эксперимент. Күз алдыгызга китерегез: сез тавыштан сакланган, герметик итеп ябылган, ләкин кислород һәм кирәк-ярак белән тәэмин ителгән лифт кабинасында торасыз. Тик сез Галәмнең төрле урынында була аласыз. Хәл шуның белән катлаулана: кабина даими рәвештә тизләнешен арттырып хәрәкәтләнә ала. Сез үегезне чак кына идәнгә тартылгандай сизәсез. Сез моны нәрсәгә бәйле булуын аера аласызмы? Кабинаның Айда булуы яки аның ирекле төшү тизләнешенең 1/6 тигез булган тизләнеш белән хәрәкәт итүенә бәйлеме бу?
Интерпретация. Эйнштейн фикеренчә, юк, аера алмыйсыз. Шуның өчен башка процесслар өчен дә лифттагы тигез тизләнешле хәрәкәт белән белән гравитация көче кырындагы шундый ук хәрәкәт арасыда аерма юк. Моннан шундый нәтиҗә ясап була: гравитация кырын тизләнешле хисап системасы белән алыштырып була.
Файнман таягы
Бүген гравитацион дулкыннарның барлыгы беркемдә дә шик тудырмый: бер ел элек LIGO һәм VIRGO коллаборацияләре кара упкыннар бәрелешүеннән сигнал тоттылар. Ләкин 20 гасыр башында Эйнштейнның фәза-вакыт бозылуы дулкыннарының үзгәрүе турындагы мәкаләсеннән соң, аларга бик шикләнеп карыйлар иде. Хәтта Эйннштейн үзе дә аларның барлыгын шик астына куеп ала, бу дулкыннар физика ягыннан мәгънәсез математик абстракция генә булырга да мөмкин булган. Аларның чынлыгын күрсәтер өчен, Ричард Файнман аноним рәвештә түбәндәге фикер тәҗрибәсен тәкъдим итә.
Эксперимент. Гравитация дулкыны фәзаның (пространствоның) метрикасы үзгәрү дулкыныннан гыйбарәт. Башкача әйткәндә, ул объектлар арасындагы араны үзгәртә. Күз алдыгызга кырыеннан бик аз дәрәҗәдә ышкылып шарлар күчеп йөри ала торган таякны китерегез. Таяк гравитация дулкыны хәрәкәте юнәлешенә перпедикуляр булсын. Дулкын таякка җиткәндә, шарларның аралары башта кыскара, аннары озыная, ә таяк шул килеш кала. Димәк, алар шуышалар һәм фәзага җылылык бүлеп чыгаралар.
Интерпретация. Бу шуны аңалата: гравитация дулкыны чын, анда энергия бар. Таяк, чагыштырма хәрәкәткә компенсация ясап, кысыла һәм шарлар белән бергә сузыла дип тә әйтергә була, әмма Файнман әйткәнчә, аны атомнар арасында эш итә торган электростатик көчләр тота.
Лаплас шайтаны
Киләсе экспериментлар «шайтаннар» белән бәйле. Әйдәгез, Галәмнең киләчәген белергә мөмкинлек бирә торган (яки бирми торган) Лаплас шайтаныннан башлап җибәрик.
Эксперимент. Күз алдыгызга китерегез: кайдадыр бик көчле һәм зур санак бар ди. Ул шулкадәр көчле булганга, ул, Галәмдә барлык кисәкчәләрнең халәтен башлангыч нокта итеп алып, бу халәтләрнең ничек үсеш кичерәгәчен исәпли ала. Башкача әйткәндә, бу санак киләчәкне белә. Тагын да кызыграк булсын өчен, компьютер киләчәкне киләчәк чынбарлыкка әйләнгәнче белә ала дип әйтик. Мәслән, бер минут алдан ул Галәмдәге барлык атомнарның ике минуттан ничек буласын әйтә ала.
Күз алдыбызга китерик: 00:00да исәпләүне башладык, аны ахырына кадәр көттек (00:01), хәзер без 00.02дә нәрсә буласын әйтә алабыз. Икенче исәпләүне башлыйк. Ул 00.02дә башланачак һәм 00.03тә бетәчәк. Ә хәзер игътибар итегез: санак үзе дә без уйлап чыгарган галәмнең бер кисәге. Димәк ул 00.01дә үзенең 00.02дә буласы халәтен белә – 00.03тә булачак Галәм халәтен дә белә. Димәк, шул рәвешле, машина 00.04тә булачак халәтен дә белә. Шулай итеп бу чиксез дәвам итә.
Интерпретация. Аңлашыла ки, матди җиһазда башкарыла торган исәпләүнең тизлеге чиксез була алмый, димәк санак та галәмнең киләчәген әйтә алмый. Ләкин кайбер мөһим моментларны билгеләп үтәргә кирәк. Беренчедән, эксперимент атомнардан торган матди Лаплас шайтаны була алмый ди. Икенчедән, Лаплас шайтаны Галәм тормышының вакыты чикле булганда гына мөмкин.
Максвелл шайтаны
Максвелл шайтаны – термодинамика курсыннан классик эксперимент. Бу тәҗрибә термодинамиканың икенче башлангычын (мәңгелек двигательны ясау мөмкин түгел дип әйтә торган башлангыч инде бу) бозу ысулын күрсәтер өчен Джеймс Максвелл тарафыннан тәкъдим ителгән.
Эксперимент. Эчтән киртә белән икегә бүленгән урта күләмле герметик савытны күз алдына китерегез. Киртәдә зур булмаган ишек бар. Аның янында акыллы микроскопик җан иясе — Максвелл шайтаны үзе утыра.
Савытны билгеле бер температурада (бүлмә температурасы дип алыйк) газ белән, әйтик, кислород белән тутырабыз. Шуны истә тотарга кирәк: температура – молекулаларның уртача хәрәкәт җизлеген белдерә торган сан. Мәсәлән, безнең экспериментта кислород өчен бу тизлек 500 м/с ка тигез. Ләкин газда бу тизлектән узып китә торган яки кимрәк тизлеге булган молекулалар да бар.
Шайтанның бурычы – киртәдәге ишеккә таба очып килә торган кисәкчәләрнең тизлеген күзәтү. Савытның сул ягыннан оча торган кисәкчәнең тизлеге секундына 500 метрдан зуррак икән, шайтан, ишекне ачып, аны кертеп җибәрәчәк. Әгәр дә тизлек азрак булса, кисәкчә уң якка чыкмаячак. Һәм киресенчә, әгәр уң яктагы кисәкчәнең тизлеге секундында 500 метрдан азрак икән, шайтан аны сул якка чыгарачак.
Озак көтеп торганнан соң, без савытның уң ягындагы молекулаларның уртача тизлеге артуын, ә сул якта әкренәюен күрербез. Димәк, уң якта температура арта. Без әлеге артык җылылыкны куллана алабыз, мәсәлән, җылылык машинасы өчен. Атомнарны аеру өчен безгә тышкы энергиянең кирәге булмады – бу эшне Максвелл шайтаны эшләде.
Интерпретация. Шайтан эшчәнлегенең төп нәтиҗәсе – системаның гомуми энтропиясе кимү. Ягъни, атомнарның суык һәм эссегә бүленүе аркасында савыттагы газның хаослы булу дәрәҗәсе кими. Термодинамиканың икенче законы моны ябык системаларда мөмкин түгел ди.
Әлеге экспериментның аңлатмасына шайтанның да тасвирламасын кертсәң, Максвелл шайтаны алай ук парадоксаль түгел булып чыга. Ул вакытын капкачны ачу һәм ябуга, шулай ук атомнарның тизлеген үлчәүгә тота. Болар барысы да газ энтропиясе кимүен компенсацияли. Максвелл шайтаны экспериментының аналоглары барлыгын да искәртеп үтик.
«Броун шакылдавыгы» бигрәк тә үзенчәлекле. Ул молекулаларны җылы һәм суыкка бүлмәсә дә, ул, эш башкару өчен, хаотик броун хәрәкәтен куллана. Шакылдавык бер якка гына әйләнә ала торган калак (лопасть) һәм тәгәрмәчтән тора (аны махсус кыскыч чикли). Калак очраклы рәвештә әйләнергә тиеш. Ул тулы бер әйләнешне тәгәрмәч юнәлешенә туры килсә генә ясый алачак. Ричард Файнман бу җиһазны җентекләп анализлаган һәм аның нигә эшләмәгәнен аңлаткан: кисәкчләләрнең камерадагы уртачалаштырылган тәэсире юкка чыга ала.
ВладимирКоролев мәкаләсе
Nplus1 сәхифәсеннән Зөһрә Вилданова тәрҗемәсе
