Ku chemii post-kwantowej. Obserwacja nieciągła

Poniższy tekst pojawi się niedługo na YT w postaci filmiku z moją postacią w roli gadającej głowy. Być może treść ulegnie pewnym redakcyjnym zmianom i uzupełnieniom. Tak robię, gdyż cały czas doskonalę jego postać. Przychodzą mi do głowy jakieś pomyły, albo przypominam sobie rzeczy, o których powinienem jeszcze dopowiedzieć.    

     Zdumiewa mnie, że funkcje falowe stanów elektronowych w atomach (orbitale) obejmują całą przestrzeń od zera (tu gdzie jest jądro atomu) aż do nieskończoności. Opis stanów energetycznych elektronów np. w atomie wodoru, za pomocą równania Schroedingera, wymaga zaangażowania całej przestrzeni trójwymiarowej. Orbitale atomowe są więc wszędzie, nachodzą na siebie! Chcę powiedzieć, że nie zdumiewa mnie matematyka orbitali, zdumiewa mnie, że ta matematyka tak dobrze opisuje świat fizyczny. Aby jakoś zlokalizować orbitale, ograniczyć ich “wszędobylskość”, rysuje się kontur rzeczywistej części funkcji falowej zawierający powiedzmy 95% gęstości elektronowej. Wtedy atomy mają skończone średnice, które dają się jakoś ogarnąć, narysować. Te średnice są rzędu angstremów w stanach podstawowych atomów. Zatem, żeby zwizualizować atomy, zaniedbuje się kilka procent gęstości elektronowej. Nasze makroskopowe rozumienie świata, wymaga zaniedbania kilku procent gęstości elektronowej, aby atomy były jako tako zlokalizowane. Korci mnie, żeby powiedzieć, że matematycznie rzecz biorąc, zaniedbanie kilku procent gęstości elektronowej wiąże się z zaniedbaniem całej przestrzeni, bo przecież rozmiar funkcji falowych jest nieskończony. Odjęcie jakiegokolwiek rozmiaru od nieskończoności daje nadal nieskończoność. To taka matematyczna ironia. Co ciekawe, gdybyśmy chcieli określić położenie elektronu w atomie, musielibyśmy użyć wiązki jakiegoś promieniowania. Pomiar za pomocą wiązki promieni lokalizuje elektron. Wtedy funkcja falowa elektronu (orbital) obejmująca cały wszechświat momentalnie redukuje się do punktu. Tę redukcję (albo kolaps) można opisać, o ile wiem, na kilka sposobów. Jednym z nich jest dodanie do równania Schroedingera dodatkowego nieliniowego członu.

    Albo można zastosować teorię wielu światów Everetta. Eliminuje ona kolaps funkcji falowej. Koszt tej eliminacji jest spory. Wymaga ona użycia nieskończonej liczby światów, czyli nieskończonej liczby wymiarów do wyjaśnienia kolapsu pojedynczej funkcji falowej. Nieskończona liczba światów? To straszliwie dużo. Za dużo jak dla mnie!

Mnie natomiast ciekawi kolaps z użyciem członu nieliniowego dodanego do równania Schroedingera. Będę się w przyszłości trzymał się owej nieliniowości, gdyż to ona zamienia nielokalność funkcji falowej opisującej elektron w jego lokalizację. A co, jeśliby lokalizacja elektronu gdzieś w punkcie znajdującym niedaleko jądra atomowego była tą bramą do chemii post-kwantowej? Mam nadzieję, że tak jest i dlatego nieliniowość biorę, jako pierwszą, do mojej bazy wiedzy, która właśnie zaczęła się tworzyć.

Ku chemii post-kwantowej. Archiwalne obserwacje na temat funkcji falowej

     Poniżej przytaczam tekst, który opublikowałem 23.06.2021 na FB. Tamten wpis pokazuje rodzące się we mnie podejście do mechaniki kwantowej. 

    Dziś sobie myślę, że czuję się wobec tej teorii jak biblijny Dawid wobec Goliata. Jest jednak zasadnicza różnica. Dawid miał kamienie i skuteczne narzędzie w postaci procy. Mnie się zdaje, że stoję na piaszczystej pustyni pozbawionej kamieni zbyt daleko od teorii kwantowej a jedynym narzędziem, które trzymam w dłoni, jest przetak.

Trochę bardziej poważnie o funkcji falowej i nieskończoności

    Nie wierzę (to znaczy, gdy badacz mówi – nie wierzę – to nie wierzcie mu. On ma wątpliwość. Jeśli to jest uzasadniona wątpliwość, to nauka może się rozwijać, a nie tylko reprodukować), że funkcja falowa jest ostatecznym sposobem opisu właściwości mikroświata. Gdyby tak było, to można bez stresu wyłączyć taką naukę i pozostawić resztę roboty inżynierii albo technologii (kto tam co uważa). Zaczęło się od tego, że fizycy kwantowi w pierwszych dziesięcioleciach XX w. zobaczyli nieskończoność stojąc oczywiście na ramionach gigantów. Dalej niż nieskończoność nie da się spojrzeć. Narzędziem tego spojrzenia była (i jest) właśnie funkcja falowa i jej przetwory w postaci funkcji gęstości. Powab (ale nie subatomowy) tej funkcji jest taki, że można się tylko zamknąć i liczyć, liczyć, liczyć… Tylko jak długo liczyć, dokąd liczyć? Odpowiedź wielu wydaje się prosta - do nieskończoności oczywiście. Nauka jednak tak nie działa. Liczenie, jakby tego nie naginać, jest już tylko technologią, choć wymaga czasem naukowego podejścia, ale to tylko technologia – ograniczony do znanych algorytmów sposób postepowania. Nauka wymaga natężenia umysłu, łamania paradygmatów, nowego i niezależnego spojrzenia, wyjścia poza ramy, poza kolczaste druty teorii. Powstaje tylko pytanie, jak to zrobić, skoro te druty ciągną się do nieskończoności, skoro nie da się wyskoczyć poza funkcję falową, bo ta sięga tak daleko, że nie ma już czegoś takiego, jak „dalej”. Zdumiewające jest to, że do opisu pojedynczego atomu wodoru potrzeba całej przestrzeni, całego wszechświata z przyległościami – co za marnotrawstwo przestrzeni – chciałoby się rzec. 

    Może czas zejść z ramion gigantów i poszukać czegoś na ziemi, u stóp tych wielkich. Coś na pewno przeoczyli. Może nawet nie mieli świadomości, że nie widzą, bo kto gapi się w nieskończoność i pracuje globalnie jest skazany na ślepotę. Nie widzi bliży - tego, co się dzieje lokalnie zwłaszcza u własnych stóp. Co to jest? Jeszcze nie wiem. Jestem na ziemi i obawiając się nieco niespodziewanych opadów, czegoś szukam. Nie jestem jeszcze pewny, co to jest, bo tumany fantazyjnie "zafraktalonych" kłębów mgły przesłaniają otoczenie, ale coś się rysuje w pobliżu stóp olbrzymów, coś, co budzi uzasadnione wątpliwości.

------------------------

Ten tekst przeczytam w nowym filmiku na moim kanale "Ku chemii post-kwantowej" na YouTube.

Zbyt dużo energii się zużywa

    Zadałem "sztinie" (sztina - skrót od "sztuczna inteligencja") pytanie o oszacowanie, ile energii może zużyć potężny superkomputer LUMI w Finlandii do obliczenia energii stanu przejściowego reakcji S_N2 anionu hydroksylowego z bromometanem (jedna cząsteczka OH^- i jedna cząsteczka CH₃Br). Poprosiłem o założenie, że komputer stosuje wysokiej klasy metodę DFT. Otrzymałem odpowiedź, że jest to około 2.53x10⁶ dżuli.

Obrazek luźno związany

    Ciekawe, gdyż sama reakcja wymaga dostarczenia 6.95x10^-20 dżula do osiągnięcia stanu przejściowego. Sztina mi podpowiedziała, że komputer zużywa do obliczenia energii reakcji dwóch cząsteczek odpowiadający około 60 molom tej substancji. Stosunek energii zużywanej przez LUMI do energii obliczanej wynosi 3.63x10²⁵. Jest to olbrzymi, gigantyczny stosunek! Chciałoby się powiedzieć - cóż za marnotrawstwo energii!

    Aby obliczyć maciupeńkie (albo jeszcze mniejsze) energie mikroświata zużywa się olbrzymich ilości energii w makroświecie. Bardzo niepokojące odkrycie.

    Uważam, że tak nie powinno być. Teoria, która wymusza stosowanie gigantycznych narzędzi wamakroświecie, które żrą energię, do obliczania właściwości nanoświata nie może być tą teorią końcową. Musi powstać jakaś teoria sprawniejsza, przynajmniej energetycznie sprawniejsza. To mnie napawa nadzieją!