Kvantna fizika
Kvantna fizika
Kvantna fizika (tudi kvantna mehanika), se danes uporablja kot besedna zveza za nekaj kompliciranega, nerazumljivega in neopisljivega. V določeni meri drži, saj nam lahko razumevanje osnovne mehanike predstavlja izziv, kadar jo moramo opisati z enačbami ne pa samo z eksperimentalnim delom. Vendar nas je tok znanosti v odvisnosti od časa naučil, na kašen način opazovati delovanje kvantnega sistema in tudi s kakšnimi pristopi ga opisovati. Če gremo povsem na začetek in začnemo to pot opisovati od osnov se lahko za začetek vprašamo kaj je fizika? Fizika je naravoslovna veda, ki v stari grščini pomeni poznavanje narave. V fiziki preučujemo snovi z maso, silo in energijo glede na gibanje v prostoru in času. V splošnem je to razumevanje in opisovanje vsega vidnega in oprijemljivega. Nekje do konca 19. stoletja je bilo z klasično fiziko možno opisati vse naravne pojave, ki smo jih lahko opazovali. Vendar kasneje so znanstveniki odkrili odstopanja rezultatov iz klasične fizike v določenih poskusih. Tukaj je v poštev vstopila teorija kvantne fizike. Kaj pa je to kvant oz. kvantna fizika? Kvantna fizika (mehanika) je fizikalna znanost nečesa zelo majhnega. Pojasnjuje nam obnašanje delcov (kvantov) v povezavi z njihovo energijo. Kvant je v fiziki najmanjša nedeljiva količina katerekoli fizikalne količine, ki lahko sodeluje v neki povezljivosti, na primer foton.
Torej zakaj je razumevanje kvantne mehanike tako kompleksno, razen dejstva da opazuje delce, ki so vidni našim očem? Zaradi abstraktnosti in paradoksalnosti v primerjavi s klasično fiziko. V kvantni fiziki znanstveniki pridejo do rezltatov, ki jih ni moč pričakovati ali predvideti. Zato se tudi velikokrat pogovarjamo o verjetnostih in naključjih. Verjetnost je ljudem precej neudobna saj ne moremo z gotovostjo trditi nečesa, da se bo zgodilo. Še slabše pa prenašamo naključja, saj jih ne moramo zajeti niti v verjetnosti. Za osnovo je primer načelo nedoločenosti kvantne mehanike, ki pove da vse bolj kot se bo točno izvedlo merjenje(lega), vse manj točno bo druga meritev, ki se nanaša na isti delec (hitrost). Tukaj bom predstavil 4 paradokse kvantne fizike, za lažje razumevanje le te.
- Kvantna prepletenost
Kvantna prepletenost je pojav, ki se pojavi, ko se skupina delcev ustvari, medsebojno deluje ali si deli prostorsko bližino na tak način, da kvantnega stanja vsakega delca v skupini ni mogoče opisati neodvisno od stanja drugega, kljub temu da sta na res veliki oddaljenosti. Torej celotno dogajanje kvantne prepletenosti je dokaz neskladja med klasično in kvantno fiziko. Prepletenost je primarna značilnost kvantne mehanike, ki je v klasični mehaniki ni. Za primer si lahko predstavljamo, da smo na dolgi vožnji in postanemo lačni. Odločimo se, da bomo zavili v restavracijo in naročili hot dog in hamburger. V restavraciji nam oboje zapakirajo v podobno škatlo. Ne moremo vedeti, v kateri škatli je hot dog in v kateri hamburger. Ko odpremo eno od škatel in v njej vidimo hamburger, bomo takoj vedeli, da je v drugi škatli hot dog. To pomeni, da sta hot dog in hamburger na določen način povezana. To je približno ideja, na kateri temelji kvantna prepletenost. Vzamimo v obzir, da sta hamburger in hot dog dva kvanta. Lahko sta na zelo veliki oddaljenosti. In kot smo prej ugotovili, sta odvisna eden od drugega. Se pravi ko zvemo, da je v eni škatli hot dog, ta podatek vpliva na drugo škatlo in povzroči da vemo da je v drugi škatli hamburger. In vse to se po teoriji zgodi hitreje od hitrosti svetlobe, čemur pravimo tahion. Tahion je samo hipotetični delec, ki vedno potuje hitreje od svetlobe. Seveda za naše razumevanje fizike tak podatek ne pride v poštev, saj poruši relativnostno teorijo. Vzročnost je temeljno načelo fizike. Če lahko tahioni prenašajo informacije hitreje od svetlobe, potem v skladu z relativnostjo kršijo vzročnost, kar vodi do logičnih paradoksov tipa "ubij lastnega dedka", zato je tukaj v ozadju samo teorija.
- Schroeddingerjeva mačka
To je eden iz med bolj znanih primer za razumevanje paradoksov kvantne mehanike in izraza superpozicija. To je znameniti miselni eksperiment, ki ga je zasnoval fizik Erwin Schrodinger. Predstavljajmo si, da v zaprto škatlo, ki je zvočno izolirana, postavimo mačko in strup. Ker ne vemo, kako močna vsebnost strupa je v škatli, ni mogoče napovedati kaj se bo zgodilo. Zato lahko pred odprtjem škatle rečemo, da je mačka v superpoziciji, da je hkrati živa in mrtva. Podobno tudi elektroni v svojem naravnem stanju obstajajo kot superpozicija spina navzgor in navzdol.
Opredelitev spina je notranja vrednost kotnega momenta osnovnega delca. Elektron ima lahko pozitivni spin, ki se imenuje spin navzgor, ali spin navzdol, ki se imenuje spin navzdol. Ko rečemo, da ima elektron pozitivni ali negativni spin, to še ne pomeni, da se elektron dejansko vrti. Čeprav ima kotni moment in pravilno magnetno usmerjenost, se ne vrti povsem natančno, temveč lahko dejansko obstaja v stanju superpozicije, ko ima tako negativni kot pozitivni spin. Šele ko jih izmerimo, dobimo določeno vrednost navzgor ali navzdol, kar se v tehničnem smislu imenuje kolaps valovne funkcije.
Dva neizmerjena elektrona nimata enega spina, ampak superpozicija vrtenja navzgor in navzdol. To je priročno, saj kljub ekstremno velikim razdaljam med elektronoma, kot naprimer 100 svetlobnih let, bi zlahka določili spin obeh elektronov če poznamo enega. Te informacije so potovale v trenutku hitreje od hitrosti svetlobe, kar smo omenili že prej.
- Kvantni češirski maček
V fizičnem svetu predmeta ni mogoče ločiti od njegovih lastnosti. Na primer, nasmeh in posledične jamice na licih so edinstveni znaki, ki jih ni mogoče ločiti od telesa osebe. Vendar ni vedno tako v kvantnem svetu, kjer fizikalne lastnosti delca morda ne pripadajo delcu samemu. V jeziku kvantne fizike se ločevanje predmeta od njegovih lastnih lastnosti zanimivo imenuje učinek kvantne češirske mačke, kjer navdih izhaja iz slavne knjige Lewisa Carrolla "Alica v čudežni deželi", v kateri je Alica začudena zaradi čarobne mačke, ki se pojavi in po mili volji izgine in za seboj pusti svoj nasmeh. V znanstvenem smislu to pomeni da lahko dva fotona zamenjata ali ločita svoji polarizaciji (ali vrtljaj), tudi če nista na istem mestu. Na posplošenem primeru bi to pomenilo, da lahko gre en foton skozi desni rokav vaše majice, njegova polarizacija pa skozi levega.
- Paradoks realnosti
Začnemo lahko s kontraverznim vprašanjem. Če drevo pade, ampak ga noben ni videl ali slišal pasti, je potem zares padlo? V kvantni fiziki se znanstveniki srečujejo s takšnimi in podobnimi vprašanji. V našem primeru, dokler ne bomo šli pogledat ali je drevo zares padlo, velja za nas vsak iz med možnih rezultatov glede tega kaj se je z drevesom zgodilo. Ko bomo pa preverili in to pomeni, da bomo dotično drevo obsevali s fotoni zato ga lahko vidimo, pa bomo dobili samo en rezultat. In tako je pri vseh elektronih. Pri izvajanju meritev, kjer mi opazujemo obnašanje atomov, je njihovo obnašanje povsem drugačno, kot pa v primeru da jih ne opazujemo. V znanstvenem žargonu to pomeni da eksperimentalno raziskana situacija pri katerem bi kvantno stanje razpadlo, če bi ga pustili pri miru, vendar ne razpade zaradi nenehnega opazovanja. Dinamika kvantnega sistema pod nenehnim opazovanjem je opisana, da ob proizvedenem fotonu, povzročimo kolaps kvantnega valovanja in funkcij, ki bi se zgodile.
Fiziki še naprej raziskujejo in spoznavajo razsežnosti kvantne fizike. Ko bo to znanje v celoti izkoriščeno, bo to lahko pomenilo korenite spremembe vidika našega obstoja. Do takrat bomo še naprej poskušali razumeti načela kvantne fizike. To je zanimiva veja znanosti, ki se zdi, da v resničnem svetu v bistvu nima nobenega smisla. Nobelov nagrajenec Richard Feynman je nekoč dejal: »Če mislite, da razumete kvantno mehaniko, je ne razumete.«