Što je kvantna mehanika

Kvantna mehanika, ili kvantna teorija, je teorija koju njeni vlastiti tvorci nisu u potpunosti razumjeli, ali to se pokazalo jedinom sposobnom objasniti ponašanje materije u mikroskopskom svijetu.

U srcu materije nalazi se neizmjerni svijet, sastavljen od milijardi i milijardi čestica, koji bježe od naših osjetila i naše intuicije. Svijet u kojem se ne primjenjuju uobičajeni fizikalni zakoni, ali oni složeniji i "tajanstveniji" kvantne mehanike, teorija toliko paradoksalna da zadivljuje i same znanstvenike koji su je izmislili. "Nitko to zapravo ne razumije", rekao je Richard Feynman, jedan od najsjajnijih fizičara svoje generacije 1965. godine.

Šarmantan. Ipak, ova teorija djeluje, jer besprijekorno precizno opisuje svijet atoma i molekula. I ima mnogo primjena, od lasera do magnetske rezonancije. Zaista se sumnja da neki fenomeni povezani s tim, poput efekta tunela, čine fotosintezu i samim tim život mogućim.

I ne samo to, kvantna mehanika zbog svojih gotovo "čarobnih" karakteristika oduvijek je fascinirala filozofe i znanstvenike. I danas ulazi u našu "svakodnevnu" kulturu, također nadahnjujuće knjige, filmove i umjetnička djela. Ali što je zapravo ta teorija? I zašto je to tako važno? Idemo redom.

Čudesne čestice. Valovi koji se ponašaju poput čestica, čestice koje prelaze barijere poput duhova ili međusobno komuniciraju na "telepatski" način ... To je neobični svijet s kojim su se znanstvenici suočili kad su otkrili kvantnu mehaniku.

Jedna od glavnih karakteristika ove teorije je kvantizacija . To je činjenica da se u mikroskopskom svijetu fizičke količine poput energije ne mogu "neprekidno" izmjenjivati, poput protoka vode iz slavine koji se može dozirati po volji, već kroz "pakete" nazvane "koliko" … Kao voda sadržana u čašama ili bocama s unaprijed određenom volumenom. Zahvaljujući ovom svojstvu, svjetlost se sastoji od tijela koja se nazivaju "fotoni"; pa čak i atomi mogu apsorbirati tu energiju samo u paketima: npr. atom može apsorbirati ili emitirati 1 ili 2 ili 3 ili više fotona, ali ne 2,7 fotona ili pola fotona.

To se događa u fotoelektričnom učinku, prema kojem metal pogoden pravilnom vrstom svjetlosti proizvodi električnu energiju: ovaj fenomen, otkriven krajem 19. stoljeća, a Einstein je objasnio 1905., temelj je djelovanja modernih fotonaponskih panela.

Val ili čestica? Druga "neobičnost" kvantne mehanike je činjenica da - poput Giano Bifrontea - sve čestice imaju dvostruku prirodu: "U nekim se eksperimentima ponašaju poput trupla, u drugim poput valova", objašnjava Giancarlo Ghirardi, profesor fizike na Sveučilištu Trsta. «Eksperiment koji pokazuje valnu prirodu elektrona je dvostruki prorez: osjetljiv je ekran postavljen ispred dvostrukog proreza i opaža se da elektroni utječu na ploču tvoreći interferencijske rubove, baš kao što svjetlost čini (vidi crtež ovdje pod, ispod). Drugi eksperimenti pokazuju da su elektroni čestice ".

Nepredvidljiv. Klasična fizika je "predvidljiva": omogućava vam precizno izračunavanje putanje projektila ili planeta. U kvantnoj mehanici, međutim, što je preciznije poznat položaj čestice, to je neizvjesnija njena brzina (i obrnuto).

Načelo neizvjesnosti koje je 1927. formulirao njemački fizičar Werner Heisenberg kaže tako. Dakle, ako želimo opisati ponašanje elektrona u atomu, možemo samo reći da se ono nalazi u oblaku oko jezgre, a kvantna mehanika ukazuje na vjerojatnost da će, mjereći, elektron biti u određenoj točki , Prije mjerenja, stanje elektrona opisano je skupom svih mogućih rezultata: govorimo, dakle, o superpoziciji kvantnih stanja. U trenutku mjerenja, elektron se „kolabira“ u jedno stanje. Ovo načelo ima važan konceptualni aspekt: ​​znanstvenici svojim mjernim instrumentima u određenom smislu interveniraju u stvaranju stvarnosti koju proučavaju.

Poput duhova. Drugi bizarni kvantni fenomen je efekt tunela , odnosno činjenica da čestice mogu savladati barijeru poput duha koja prolazi kroz zid. "Ovako se objašnjava raspadanje radioaktivnih tvari", kaže Ghirardi. "Zračenje koje emitiraju ti materijali zapravo se sastoji od čestica koje savladavaju energetsku barijeru unutar jezgara".

Svijetle tkanja. Sve je to već dovoljno čudno. Ali najzanimljiviji je fenomen zapletenost ("isprepletenost"). Zamislite da uzmete dva fotona u "superpoziciji stanja" - možemo ih misliti kao kovanice koje se beskrajno rotiraju, pokazujući oba lica (glavu ili križ) - i podvrgavajući ih zapletu, a zatim ih dovodeći na suprotne strane svemira.

Prema kvantnoj mehanici, ako napravimo mjerenje na jednom od dva, a na primjer dobijemo glavu, drugi novčić također odmah prestaje biti u neodređenom stanju: ako ga izmjerimo (nakon sekunde ili nakon stoljeća) sigurni smo da će rezultat biti glava. Dvije čestice su poput ... telepatskog kontakta. Apsurdno? Ne, zapetljavanje!

Kao Star Trek. Ova iznenađujuća značajka može se koristiti za obavljanje kvantne teleportacije (pogledajte galeriju u nastavku). "Pretpostavimo da želimo prenijeti foton identificiran po njegovom polarizacijskom stanju iz točke A u točku B", kaže Ghirardi. "Da biste to učinili, pored fotona koji će se teleportirati, potrebna su vam dva zapletena fotona, jedan u A, a drugi u B. Zatim napravite da se foton teleportira i komunicira s prvim zapletenim fotonom (onaj u A) i komunicirate s promatrač u B ishod operacije i pri tome mu se pokazuje kako mora manipulirati drugim zapletenim fotonom kako bi dobio identičan primjerak početnog fotona ".

U praksi se informacije o početnom fotonu prenose u B zahvaljujući međusobnom povezivanju isprepletenih fotona: u stvarnosti je to prijenos informacija, a ne prijenos tvari poput one iz Star Trek-a.

Zbog toga je teleportacija od posebnog interesa za znanstvenike koji proučavaju kvantna računala budućnosti. Računalo, to jest u kojem se kbit obrađuje umjesto "bitova" (nizova "0" i "1") tradicionalnog računanja: prednost je u tome što vam kubiti omogućavaju da u kratkom vremenu "paralelno" izvodite operacije koje tradicionalnim računalima trebale bi godine. Dakle, s brojem "n" kbita broj računajućih putova koji se mogu poduzeti istodobno jednak je 2N, to jest 2x2x2 ... x2, n puta: s manje od 300 kbita broj čestica cijelog svemira bio bi premašen , Za sada se može manipulirati sa samo nekoliko kbita i to s velikim poteškoćama: "čarobni" svijet kvantnih računala sve je potrebno istražiti.

U novije vrijeme, dva fizičara sa Sveučilišta u Queenslandu (Australija) čak su osmislila "vremensku" teleportaciju, primjenjujući zapletenost u vremenu, a ne u prostoru, uvijek s ciljem omogućavanja složenih izračuna. Ali, ako uspije, bio bi to prvi pravi primjer vremenskog stroja, iako malo drugačiji od onoga kako ga je znanstvena fantastika oduvijek zamišljala.

Kvanta u filozofiji i kulturi. Kvantna mehanika, međutim, nije samo čudna i složena. To nas također prisiljava na preispitivanje mentalnih obrazaca na koje smo navikli, testiranje naših uvjerenja i nudeći nove odgovore na pitanja koja filozofi postavljaju već tisućljećima. Evo nekoliko primjera.

DA LI JE DESTINIJSKO PREDMETNO?

Kako možemo zaboraviti, na primjer, Maradonove kazne? Putovi impresionirani loptom bili su divan susret sporta i fizike. Međutim, ako hipotetički kvant "Pibe de oro" nađe elektron između njegovih nogu, neće ga moći potisnuti istom preciznošću. Ta "lopta", ustvari, ne bi slijedila determiniranu logiku pogotka.

Zahvaljujući načelu superpozicije država, u stvari, ona bi se mogla nalaziti bilo gdje u polju, šireći se poput magle na nekoliko mjesta istovremeno. I tek nakon što smo ga primijetili, konačno bi se "srušio" u određenoj točki, možda upravo na mreži ... ukratko, sudbina nije predvidljiva.

Sasvim suprotno onome što su tvrdili u petom stoljeću. do. C. Grci Leucippus i Democritus, prema kojima se svijet sastojao od atoma koji se kreću u vakuumu na predvidiv način. Iako je tada, stoljeće kasnije, još jedan Grk, Epikur, pretpostavio da među atomima postoje nasumični udarci s nepredvidivim posljedicama. Činilo se da je klasična fizika u 1800-im dokazala da su prve dvije bile ispravne. Kvantna mehanika, s druge strane, iako na sasvim različitim osnovama, bliža je Epikurovoj misli.

DA LI SVEUČILI NEZAVISNO DO SADA?

Esse est percipi: da bi postojale, stvari je potrebno uočiti. Britanski filozof George Berkeley podržao ga je u 18. stoljeću, prema kojem kugla ili drvo ne postoji samo po sebi, neovisno o nama: ono što opažamo jesu osjetilni podražaji koji dolaze izravno od Boga. I njemački filozof Immanuel Kant, uvijek u '700, ponovio je da svijet ne može spoznati "takav kakav je sam po sebi" (što ga je definiralo kao noumenon), već samo "ono što se pojavljuje". Nešto slično, dva stoljeća kasnije, kaže kvantna mehanika: da biste odredili položaj čestice, na primjer, morate ga osvijetliti ... a zatim čestica, udarena svjetlošću, odskače. Znamo gdje je, ali ne gdje će biti nakon nekog trenutka.

Za promatranje stvarnosti, ukratko, potrebno ju je "uznemiriti": "Prema interpretaciji iz Kopenhagena" objašnjava Giulio Giorello, profesor filozofije znanosti na Državnom sveučilištu u Milanu, "kvantni događaji ovise o prisutnosti promatračkog aparata koji im duguje" mjeriti".

Einstein nije mogao probaviti ovaj aspekt teorije: zapravo je bio uvjeren da je stvarnost dobro određena i neovisna o promatraču. Ali danas se zalažu stručnjaci iz Kopenhagena.

Što ako je učinak prethodio uzroku?

Jedan od stubova klasične znanosti je pravilo prema kojem u svijetu u kojem živimo svaki uzrok nužno slijedi učinak: ako bacim kamen prema prozoru, razbijem ga, ako dotaknem vatru, izgorim. U osamnaestom stoljeću škotski filozof David Hume doveo je u pitanje ovo načelo: čak i ako dva događaja slijede jedan za drugim svaki dan, tu vezu ne smijemo smatrati logičnom posljedicom, jer bi to mogla biti uobičajena povezanost naših ideja.

Tradicionalna znanost nikada nije dovodila u pitanje princip uzroka i posljedice. Čini se da ga kvantna mehanika krši, ali nije tako: teorija omogućuje da sa sigurnošću izračunate neke aspekte evolucije čestica, ali ne sve (u suprotnom morate biti zadovoljni računanjem vjerojatnosti da će se neki fenomen dogoditi). Ali ni u kojem slučaju teorija ne priznaje situacije u kojima, primjerice, učinak prethodi uzroku ili se od njega nema veze.

DOSTAVLJA LI NAŠA BIJELA SVIMA SVEUČILIŠTA?

Kada surfamo Internetom, čini se da je prostor usisan jednim klikom miša, unutar hipertekstualnih veza između sustava koji su udaljeni tisućama kilometara jedan od drugog. U subatomskom svijetu, pod određenim uvjetima, može se dogoditi isto: postoje "blizanačke" čestice, međusobno povezane svojstvom zapletenosti, koje bi, iako su u suprotnim točkama svemira, mogle odmah komunicirati jedna s drugom, djelujući kao cjelina 'jedan.

Ova pojava, sada dokazana, ruši jedan od stubova tradicionalne fizike: načelo lokaliteta. Toliko da stvori sumnju: živimo li u nedjeljivoj, dinamičnoj cjelini, čiji su dijelovi međusobno povezani kako je to tvrdio nizozemski filozof Baruch Spinoza u 17. stoljeću?

Prema njegovoj "panteističkoj" viziji postoji jedinstvena i beskonačna supstanca, geometrijski poredak u kojem se Bog i priroda podudaraju (Deus sive natura, "Bog ili priroda") kao unutarnji uzrok cjelini.

DA LI PRIRODA ODBIJU VAKUUM?

Nature abhorret Vacuum ("priroda odbacuje prazninu"): fraza seže u srednji vijek, ali koncept je drevan: već u četvrtom stoljeću. do. C. Grčki Aristotel i njegovi učenici negirali su postojanje "mjesta gdje nema ničega", gdje se "ne može pomaknuti ni jedan jedini predmet".

Tabu na Zapadu ostaje tisućama godina, čak ga je asimilirala Crkva, koja nije tolerirala postojanje mjesta bez Boga. Tada je klasična fizika pokazala da se praznina može stvoriti, primjerice uklanjanjem zraka iz spremnika , Također se činilo da je moguće stvoriti "savršenu prazninu", tj. Područje prostora potpuno lišenog atoma i svjetlosti.

No, kvantna mehanika utvrdila je da to nije moguće: čak bi i "savršeni vakuum" sadržavao beskonačno kolebanje energije sposobno stvarati virtualne čestice koje proizlaze iz ničega i neprekidno nestaju u vrlo kratkom vremenu. Ukratko, Aristotel je u određenom smislu bio u pravu.

Je li stvarnost stvar ili informacije?

Danas smo svjedoci trijumfa informatike: tekstovi, slike, zvukovi i filmovi putuju Internetom iz jednog dijela svijeta u drugi u obliku sekvenata od 0 i 1: bita. Ove digitalne cigle, bitan dio našeg života, vode nas ka razmišljanju: je li stvarnost sastavljena od materije ili bitova? Možda, kako nam govori znanstvenofantastični film Matrix, živimo u velikom elektroničkom mozgu koji simulira svijet. S tom razlikom što se bitovi kvantne mehanike razlikuju od "klasičnih": nazivaju se kubiti i dopuštaju kombinacije (i logičke operacije) neusporedive složenosti u svijetu tradicionalnog računanja

DA LI JE TEORIJA SPOŽNJENA OBAVIJESTITI SVE?

Fizičari traže Teoriju svega, sposobnu ujediniti sve: čovjeka i zvijezde, male i velike ... hoće li to uspjeti? Ne kaže se, ali ambicija je drevna. Na svoj način to je već isprobao u 6. stoljeću. do. C. grčki filozof Pitagora povjeravajući brojeve, krajnje sastavnice prirode, sa zadatkom da svemir objedini.

Danas je, međutim, glavni fokus na evoluciji teorije struna nazvanoj "Teorija M". Više od jedne teorije, to je sustav od 5 različitih teorija koje se primjenjuju u različitim kontekstima.

Mogli bismo ga usporediti s velikom zemljovidom svijeta: za vjerno predstavljanje cijele zemljine površine potrebne su mnoge male zemljopisne karte koje, djelomično preklapajući se jedna s drugom, pokazuju različite aspekte istog krajolika.

Prepravljeno iz članka Roberta Rizza i Caroline Borella

Povezani Članci