piątek, 30 sierpnia 2013

Tajemniczy świat kwantów

Świat wielkich ciał niebieskich, takich jak planety, gwiazdy czy galaktyki jest fascynujący a mechanizmy ich ruchu i wzajemnych oddziaływań są już dobrze znane teoretykom mechaniki klasycznej. Nie mniej ciekawy jest jednak mikroświat zjawisk najmniejszych. Tajemnicami, które kryje, zajmuje się fizyka kwantowa.


Kwant to najmniejsza porcja energii, czasu czy innego zjawiska fizycznego. Mechanika kwantowa bada ruch obiektów w tym mikroświecie, skupiając się na atomach i cząstkach elementarnych. Jej powstanie wiąże się z odkryciem, że w opisie ruchu elementów atomu nie sprawdzają się zasady mechaniki klasycznej, czyli tej opisującej ruch większych ciał. Okazało się bowiem, że elektrony przemieszczają się w zupełnie niespodziewany sposób – zmieniają swoją orbitę gwałtownie, wraz z błyskiem fotonu, zamiast krążyć „spokojnie” niczym planety wokół Słońca. Odkrywcą tego zjawiska był Niels Bohr, fizyk, który zauważył, że zmiana orbity elektronu następuje wraz z pochłonięciem przez niego kwantu światła, po czym po jego oddaniu powraca na pierwotną orbitę. Tak zwany „przeskok” kwantowy był sprzeczny z postrzeganiem ruchu ciał, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni – był gwałtowny niczym znana z filmów science fiction teleportacja. Nowe „orbity” elektronów nazwane zostały liniami spektralnymi. Uzupełnieniem teorii Bohra, który za swoje dokonania otrzymał nagrodę Nobla, było odkrycie Wolfganga Pauli, według którego w jednym stanie kwantowym (czyli jakby na jednej „pozycji” elektronu) może znajdować się tylko jeden elektron.

„Teleportacja”, której towarzyszy błysk światła to tylko jedno z szeregu tajemniczych zjawisk świata mikrocząstek. Równie niezwykła jest zasada nieoznaczoności. Według niej nigdy nie możemy być pewni, gdzie w danym momencie w atomie znajduje się elektron. Werner Heisenberg, którego odkrycie leży u podstaw mechaniki kwantowej uważał, że świat na poziomie atomowym jest rozmyty i niemożliwy do dokładnego zmierzenia. Wszystkie zjawiska są zatem jedynie przypadkowe, z czym nigdy nie pogodził się twórca teorii względności Albert Einstein, powtarzając słynne zdanie, że „Bóg nie gra w kości”. Nowo powstałą mechanikę kwantową uzupełniały rozważania Erwina Schrödingera, który twierdził, że elektrony wykazują zachowania falowe.

Erwin Schrödinger był także autorem słynnego eksperymentu myślowego zwanego „kotem Schrödingera”, który pokazuje jeszcze większą niezwykłość świata kwantów. Rozważając sytuację urządzenia, które nieszczęsnego kota zamkniętego w pudełku może na 50% pozbawić życia, doszedł do wniosku, że według mechaniki kwantowej dopiero po otwarciu pudełka można stwierdzić, czy kot ocalał, czy też poległ w służbie nauki. Do tego czasu funkcjonuje on w tak zwanym stanie „superpozycji”, czyli pozostaje równocześnie żywy i martwy. Trudny do zrozumienia paradoks prowadzi do wniosku, że to obserwator decyduje o stanie obiektu, dzięki samemu aktowi obserwacji. Przypisana mu zatem zostaje niezwykła moc wpływania na kształt rzeczywistości.

W mechanice kwantowej podobnych niezwykłości jest mnóstwo i trudno się tutaj nad nimi rozpisywać. Wspomnimy jeszcze tylko o jednej przedziwnej właściwości cząstek w mikroświecie – zjawisku splątania kwantowego. W eksperymentach przeprowadzanych na fotonach pozostających ze sobą w układzie (tak zwanym „singlecie”) dowiedziono, że zmiana właściwości jednego z nich wpływa na zmianę drugiego. Nie byłoby może w tym nic aż tak zaskakującego, gdyby nie to, że po oddaleniu elementów układu od siebie nadal na siebie wpływały. Oznacza to, że dwie cząsteczki będące w jednym układzie umieszczone na dwóch krańcach Układu Słonecznego, a nawet w dwóch różnych galaktykach nadal oddziaływałyby na siebie. Byłoby to nic innego jak komunikacja z nieskończoną prędkością. Albert Einstein, który uznawał prędkość światła za maksymalną do osiągnięcia we Wszechświecie, nazywał tę właściwość cząstek „upiornym działaniem na odległość”. O jej „upiorności” można dyskutować, bez wątpienia jednak zjawisko to pokazuje niezwykłość świata mechaniki kwantowej.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz