Fizyka kwantowa, kilka faktów które warto znać

21 listopada 2022

Ostatnio słowo kwantowy staje się coraz bardziej popularne. Mamy już kwantowy Internet, kwantowy procesor, kwantowy komputer, a nawet teleportację kwantową. Mechanika kwantowa analizuje świat mikroskopowy, obiekty o małych masach i gabarytach, nie tylko atomy, ale również cząstki elementarne. Bez znajomości fizyki kwantowej nie dałoby się wyjaśnić zjawisk makroskopowych takich jak nadprzewodnictwo czy nadciekłość, nie byłoby też GPS-u. Czy nam się to podoba czy nie, wokół nas jest fizyka kwantowa, która w pełniejszy sposób opisuje rzeczywistość inną od tej którą znamy. Pokażemy Wam siedem ciekawostek z tej dziedziny, które powinien znać każdy nawet laik. Więc to:

  1. Dualizm korpuskularno-falowy — zaczynamy od ciekawostki- w 1906 r. J.J. Thomson dostał Nagrodę Nobla za odkrycie faktu, że elektrony są cząsteczkami. Ponad ćwierć wieku później jego syn odebrał taką samą nagrodę za udowodnienie, że elektrony są falami. Niemożliwe? Otóż oba stwierdzenia są poprawne i noszą nazwę dualizmu korpuskularno-falowym. Czasem można mówić o świetle jak o fali elektromagnetycznej a czasem nie da się inaczej opisać niż zakładając, że budują ją fotony(cząstki).
  2. Superpozycja — z ww. dualizmem powiązane jest zjawisko superpozycji. Oznacza to, że dany obiekt może funkcjonować jednocześnie w kilku stanach, czyli może być i tu, i tam a bez zastosowania eksperymentu nie określimy, gdzie faktycznie jest. To wcale nie są czary mary, a jedynie kwestia prawdopodobieństwa, na którym właśnie fizyka kwantowa bazuje. Można w przybliżeniu określić, gdzie dany obiekt może się znajdować i ujęte jest to w funkcji falowej. Przeprowadzenie obserwacji eliminuje funkcję falową i superpozycję zmuszając tym samym obiekt do przyjęcia tylko określonego z możliwych stanów.
  3. Multiwersum — kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej zakłada, że obserwacja zmienia funkcję falową i wymusza obranie konkretnej pozycji. A jeśli taki wybór nie istnieje to co wówczas? Inna teoria jest taka, że gdy dokonujemy pomiarów to rzeczywistość generuje dwie kopie samej siebie, jednej, gdzie wychodzi wynik A i drugą z wynikiem B. W taki właśnie sposób powstaje alternatywny wszechświat, w którym jest nieskończona ilość możliwych wyników. Ta zależność to podstawa koncepcji multiwersum, która naszą rzeczywistość opisuje jako jedną z wielu w nieskończonej przestrzeni.
  4. Wielkoskalowe struktury Wszechświata — najbardziej znaną teorią powstania Wszechświata jest Wielki Wybuch, którą zmodyfikowano w latach 80-tych minionego stulecia i uwzględniono w niej hipotezę inflacji kosmologicznej. W jedną trylionową część trylionowej części sekundy kosmos z rozmiarów mniejszych od atomu rozrósł się do gabarytu grejpfruta. Inflacja spowodowała intensywny wzrost Wszechświata nim fluktuacje kwantowe zaniknęły. Energia zebrała się w konkretnych obszarach tworząc gromady galaktyk i ciał niebieskich, które obecnie możemy oglądać.
  1. Splątanie kwantowe — zgodnie z tym o czym uczono nas w szkole we Wszechświecie najszybszym poruszającym się obiektem jest światło. Zjawisko splątania kwantowego sugeruje, że elementarne cząstki oddziałowujące na siebie ze znacznie większą prędkością niż światło do tego stopnia, że nie można ich opisać niezależnie od siebie. Einstein uważał to, że dziwne i takie splątanie nazwał ’upiornym działaniem na odległość”. Splątanie może wyjaśnić działanie tuneli czasoprzestrzennych, które prawdopodobnie mogą prowadzić do najdalszych rejonów Wszechświata.
  2. Komputery kwantowe nie zastąpią klasycznych — a to głównie dlatego że nie nadają się do prostych, codziennych zadań takich jak np.: surfowanie po Necie czy wysłanie emaila. Komputery kwantowe przerabiają te same operacje, które wykonują superkomputery i robią to zdecydowanie szybciej. Dzięki zjawisku superpozycji komputery kwantowe mogą w tym samym czasie przetwarzać wiele operacji.
  3. Einstein nie był przeciwnikiem fizyki kwantowej— choć właśnie tak był przedstawiany i postrzegany co było zupełnie niedorzeczne, bo to właśnie jego odkrycia dały podwaliny pod późniejszą mechanikę kwantową. W 1905 roku napisał artykuł w oparciu o pracę innego naukowca, w którym zasugerował, że światło składa się z indywidualnych, małych i sklasyfikowanych ciał, czyli fotonów. Zapewne wrogość do fizyki kwantowej została błędnie odczytana na podstawie jego powiedzenia, że „Bóg nie gra w kości ze Wszechświatem” ponieważ nie akceptował koncepcji nielojalności. Można być pewnym, że Einstein rozumiał i doceniał znaczenie fizyki kwantowej tylko miał problem z niektórymi jej implikacjami.

Podsumowując: fizyka kwantowa w odróżnieniu od klasycznej zaczęła uwzględniać w opisie świata efekty, które pojawiają się w przypadku badania atomów, cząstek elementarnych potocznie zwanych efektami kwantowymi. Powstała teoria kwantowa, która wprowadza nas w całkowicie inny świat i rzeczywistość często stojący w kontrze z intuicją. Fizyka kwantowa i realistyczna to obie ogromne teorie współcześnie funkcjonujące dla których uczeni chcą znaleźć teorię uwzględniająca oba podejścia opisu świata.

Other entries

Święta Bożego Narodzenia i tradycje z nimi związane

Święta Bożego Narodzenia i tradycje z nimi związane

Wielkimi krokami zbliża się koniec roku a wraz z nim uwielbiane przez wszystkich Święta Bożego Narodzenia. Wiecie, że w naszym kraju w większości regionów zwyczaje świąteczne są prawie identyczne. W większości domów śpiewane są kolędy i pastorałki, a przy wigilijnym...

czytaj dalej
7 zastosowań mechaniki kwantowej

7 zastosowań mechaniki kwantowej

Mimo że upłynęło wiele, wiele lat intensywnych badań słowo kwant wciąż brzmi tajemniczo i jak coś zaciągnięte z fantastyki, a nawet abstrakcyjny przedmiot zainteresowania grupy „twardogłowych”. Tymczasem ta abstrakcyjna i egzotyczna teoria już dawno zagościła w naszym...

czytaj dalej
Komputer kwantowy, co to takiego

Komputer kwantowy, co to takiego

Działanie tego komputera jak już sama nazwa wskazuje opiera się o fizykę kwantową. Przesyłanie danych w takich urządzeniach odbywa się za pomocą kubitów a nie bitów jak w klasycznych komputerach. Co zatem jest innego w tych komputerach w stosunku do starych rozwiązań...

czytaj dalej