Co je kvantová mechanika

Kvantová mechanika neboli kvantová teorie je teorie, kterou její vlastní tvůrci plně nerozuměli, ale která se ukázala jako jediná schopná vysvětlit chování hmoty v mikroskopickém světě.

V srdci hmoty je obrovský svět složený z miliard a miliard částic, který uniká našim smyslům a naší intuici. Svět, ve kterém se obvyklé fyzikální zákony nepoužijí, ale složitější a „záhadnější“ kvantové mechaniky, teorie tak paradoxní, že ohromí samotné vědce, kteří ji vymysleli. „Nikdo tomu nerozumí,“ řekl Richard Feynman, jeden z nejjasnějších fyziků své generace v roce 1965.

Okouzlující. Tato teorie však funguje, protože popisuje atom atomů a molekul s dokonalou přesností. A má mnoho aplikací, od laserů po magnetickou rezonanci. Ve skutečnosti existuje podezření, že s tím souvisí některé jevy, jako je tunelový efekt, které umožňují fotosyntézu a tím i život.

Kvantová mechanika nejen svým magickým charakterem, ale vždy fascinovala filozofy a vědce. A dnes vstupuje do naší „denní“ kultury, inspiruje také knihy, filmy a umělecká díla. Co je ale tato teorie? A proč je to tak důležité? Pojďme do pořádku.

Zázrakové částice. Vlny, které se chovají jako částice, částice, které překračují bariéry jako duchové nebo komunikují mezi sebou "telepatickým" způsobem ... To je divný svět, kterému vědci čelí, když objevili kvantovou mechaniku.

Jednou z hlavních charakteristik této teorie je kvantizace . To je skutečnost, že v mikroskopickém světě nelze fyzická množství, jako je energie, vyměňovat „nepřetržitě“, jako tok vody z vodovodu, který může být dávkován podle přání, ale prostřednictvím „balíčků“ označovaných „kolik“ … Jako voda obsažená ve sklenicích nebo lahvích s předem stanoveným objemem. Na základě této vlastnosti je světlo tvořeno těly energie zvanými "fotony"; a dokonce atomy mohou absorbovat tuto energii pouze v paketech: atom například může absorbovat nebo emitovat 1 nebo 2 nebo 3 nebo více fotonů, ale ne 2,7 fotonů nebo půl fotonu.

To se děje při fotoelektrickém jevu, podle kterého kov zasažený správným typem světla produkuje elektřinu: tento jev, objevený na konci 19. století a vysvětlený v roce 1905 Einsteinem, je základem fungování moderních fotovoltaických panelů.

Vlna nebo částice? Druhou „zvláštností“ kvantové mechaniky je skutečnost, že - stejně jako Giano Bifronte - mají všechny částice dvojí povahu: „V některých experimentech se chovají jako tělíska, v jiných jako vlny“ vysvětluje Giancarlo Ghirardi, emeritní profesor fyziky na univerzitě. z Terstu. «Experiment, který ukazuje vlnovou povahu elektronů je dvojitá štěrbina: citlivá obrazovka je umístěna před dvojitou štěrbinou a je pozorováno, že elektrony zapůsobí na desku vytvářející interferenční třásně, stejně jako světlo (viz obrázek zde) pod). Jiné experimenty ukazují, že elektrony jsou částice ".

Nepředvídatelné. Klasická fyzika je „předvídatelná“: umožňuje přesně vypočítat trajektorii střely nebo planety. V kvantové mechanice je však přesněji známa pozice částice, čím nejistější je její rychlost (a naopak).

Princip nejistoty formulovaný v roce 1927 německým fyzikem Wernerem Heisenbergem to říká. Pokud tedy chceme popsat chování elektronu v atomu, můžeme pouze říci, že je umístěn v oblaku kolem jádra a kvantová mechanika naznačuje pravděpodobnost, že při měření je elektron v určitém bodě . Před měřením je stav elektronů popsán množinou všech možných výsledků: mluvíme tedy o superpozici kvantových stavů. V době měření se elektron „zhroutí“ do jediného stavu. Tento princip má důležitý koncepční aspekt: ​​v určitém smyslu vědci svými měřicími nástroji zasahují do vytváření reality, kterou studují.

Jako duchové. Dalším bizarním kvantovým jevem je tunelový efekt , tj. Skutečnost, že částice mohou překonat bariéru jako duch prochází zdí. „Takto se vysvětluje rozklad radioaktivních látek,“ říká Ghirardi. „Záření emitované těmito materiály je ve skutečnosti tvořeno částicemi, které překonávají energetickou bariéru uvnitř jader“.

Světlé vazby. To vše je už dost podivné. Nejzajímavějším jevem je však propletení („propletení“). Představte si, že vezmete dva fotony do „superpozice států“ - můžeme je považovat za mince, které se nekonečně točí, ukazují obě tváře (hlavu nebo kříž) - a podrobují je zapletení a poté je přivedou na opačné strany vesmíru.

Podle kvantové mechaniky, pokud provedeme měření na jedné ze dvou, a například dostaneme hlavu, druhá mince také okamžitě přestane být v neurčitém stavu: pokud ji změříme (po sekundě nebo po století), jsme si jisti, že výsledkem bude hlava. Tyto dvě částice jsou jako v ... telepatickém kontaktu. Absurdní? Ne, zapletení!

Jako Star Trek. Tuto úžasnou funkci lze použít pro kvantovou teleportaci (viz galerie níže). „Předpokládejme, že chceme přenést foton identifikovaný jeho polarizačním stavem z bodu A do bodu B,“ říká Ghirardi. "Abychom to mohli udělat, musíme mít kromě teleportovaného fotonu dva zapletené fotony, jeden A a jeden v B. Potom interagujeme s fotonem, který má být teleportován, s prvním zapleteným fotonem (jako v A) a komunikujeme všechny." pozorovatel v B výsledek operace a přitom mu je ukázáno, jak musí manipulovat s druhým zapleteným fotonem, aby získal identickou kopii výchozího fotonu ".

V praxi je informace o startovním fotonu přenášena na B díky zprostředkování propletených fotonů: ve skutečnosti je to spíše přenos informací než přenos hmoty, jako je například Star Trek.

Proto je teleportace obzvláště zajímavá pro vědce studující kvantové počítače budoucnosti. Počítač, to znamená, ve kterém jsou qubity zpracovávány namísto "bitů" (sekvence "0" a "1") tradičních výpočtů: výhodou je, že qubity umožňují provádět v krátkém čase "paralelně" operace, které tradiční počítače by trvalo roky. Tudíž, s počtem "n" qubitů je počet výpočtových drah, které mohou být provedeny současně, roven 2N, tj. 2x2x2 ... x2, n krát: s méně než 300 qubits by byl překročen počet částic celého vesmíru . Doposud však lze manipulovat jen s několika qubity as velkými obtížemi: ​​je třeba prozkoumat „magický“ svět kvantových počítačů.

Více nedávno, 2 fyzici z University of Queensland (Austrálie) dokonce vymysleli „dočasnou“ teleportaci, přičemž se místo času vždy používají spletení, vždy s cílem umožnit komplexní výpočty. Pokud by to však fungovalo, byl by to první skutečný příklad stroj času, i když se trochu lišil od toho, jak si to science fiction vždycky představovala.

Kvanta ve filozofii a kultuře. Kvantová mechanika však není jen divná a komplikovaná. Také nás nutí přezkoumávat mentální vzorce, na které jsme zvyklí, testovat naše víry a nabízet nové odpovědi na otázky, které filozofové žádají po tisíciletí. Zde jsou nějaké příklady.

JE DESTINY PŘEDCHOZÍ?

Jak můžeme zapomenout například na Maradonovy tresty? Trajektorie zapůsobící na míč byly obdivuhodným setkáním mezi sportem a fyzikou. Pokud by se však mezi elektronem našlo hypotetické kvantum „Pibe de oro“, nebylo by možné jej kopat se stejnou přesností. Tato „koule“ by ve skutečnosti nesledovala deterministickou logiku výstřelu.

Díky principu superpozice států to ve skutečnosti mohlo být kdekoli na poli a šířit se jako mlha na několika místech současně. A teprve poté, co bylo pozorováno, by se to nakonec „zhroutilo“ v přesném bodě, snad přímo na síti ... zkrátka, osud nelze předvídat.

Právě opak toho, co tvrdili v pátém století. na. C. Řekové Leucippus a Democritus, podle nichž byl svět složen z atomů, které se pohybují ve vakuu předvídatelným způsobem. I když, o století později, řecký jiný, Epicurus předpokládal, že mezi atomy došlo k náhodným srážkám s nepředvídatelnými důsledky. Klasická fyzika se v roce 1800 jevila jako první dvě pravice. Kvantová mechanika, na druhé straně, i když na úplně jiných základech, je blíže Epicurovu myšlence.

UNIVERZA JE BEZ NÁS?

Esse est percipi: Aby existovaly, je třeba věci vnímat. Britský filozof George Berkeley to podpořil v 18. století, podle něhož koule nebo strom sám o sobě neexistují, nezávisle na nás: to, co vnímáme, jsou smyslové podněty, které přicházejí přímo od Boha, a německý filozof Immanuel Kant, vždy v '700, zopakoval, že člověk nemůže poznat svět „tak, jak je sám o sobě“ (nazýval noumena), ale pouze „to, co se objeví“. O dvě století později něco podobného říká kvantová mechanika: abyste určili polohu částice, musíte ji například osvětlit ... a pak částice zasažená světlem vytryskne pryč. Víme, kde to je, ale ne kde to bude po chvíli.

Abychom pozorovali realitu, musíme zkrátka „narušit“: „Podle interpretace Kodaně“ vysvětluje Giulio Giorello, profesor filozofie vědy na Státní univerzitě v Miláně, „kvantové události závisí na přítomnosti pozorovacího aparátu, který musí měřit".

Einstein nebyl schopen strávit tento aspekt teorie: byl ve skutečnosti přesvědčen, že realita je dobře odhodlaná a nezávislá na pozorovateli. Dnes však odborníci souhlasí s kodaňským výkladem.

Co když účinek předcházel příčině?

Jedním z pilířů klasické vědy je pravidlo, že ve světě, ve kterém žijeme, nevyhnutelně následuje každá příčina: když hodím kámen do okna, rozbiju ho, když se dotknu ohně, spálím se. V osmnáctém století zpochybnil tento princip skotský filozof David Hume: i když každý den následují dvě události, neměli bychom považovat toto spojení za logický důsledek, protože by to mohlo být obvyklé spojení našich myšlenek.

Tradiční věda nikdy nezpochybnila princip příčiny a následku. Kvantová mechanika se zdá, že to porušuje, ale není tomu tak: teorie umožňuje počítat s jistotou některé aspekty vývoje částic, ale ne všechno (jinak musíte být spokojeni s výpočtem pravděpodobnosti, že se stane určitý jev). Teorie však v žádném případě nepřiznává situace, ve kterých například účinek předchází příčině nebo je od ní odpojen.

ROZŠÍŘÍ NAŠE ESSENCE NA VŠECHNO UNIVERZI?

Když procházíme internet, zdá se, že prostor je nasáván kliknutím myši, v rámci hypertextových odkazů mezi systémy, které jsou od sebe tisíce kilometrů. V subatomickém světě se za určitých podmínek může stát totéž: existují „dvojčata“ částice, které jsou vzájemně propojeny vlastnostmi zapletení, které by i přes to, že jsou v opačných bodech vesmíru, byly schopny okamžitě spolu komunikovat a jednat jako celek 'jeden.

Tento jev, nyní prokázaný, zboří jeden z pilířů tradiční fyziky: princip lokality. Tolik vyvoláváme pochybnosti: žijeme v nedělitelném, dynamickém celku, jehož části jsou vzájemně propojeny, jak tvrdil nizozemský filozof Baruch Spinoza v 17. století?

Podle jeho „panteistické“ vize existuje jedinečná a nekonečná látka, geometrický řád, ve kterém se Bůh a příroda shodují (Deus sive natura, „Bůh nebo příroda“) jako vnitřní příčina celku.

VAKUUM PŘÍRODY ODMÍTÁ?

Natura se vzdává vakua („příroda odmítá prázdnotu“): fráze sahá až do středověku, ale koncept je starověký: již ve čtvrtém století. na. C. Řecký Aristoteles a jeho učedníci popřeli existenci „místa, kde není nic“, kde „ani jediný objekt se nemůže pohybovat“.

Tabu na Západě zůstal po tisíciletí, dokonce asimilován církví, která netolerovala existenci místa bez Boha. Pak klasická fyzika ukázala, že prázdnota může být vytvořena například odstraněním vzduchu z kontejneru . Také se zdálo možné vytvořit „dokonalou prázdnotu“, tj. Oblast prostoru zcela postrádající atomy a světlo.

Kvantová mechanika však prokázala, že to není možné: i „dokonalé vakuum“ by obsahovalo nekonečné kolísání energie schopné generovat virtuální částice, které vznikají z ničeho a ve velmi krátké době neustále mizí. Zkrátka, Aristoteles měl pravdu v jistém smyslu.

JE NEJLEPŠÍ INFORMACE?

Dnes jsme svědky triumfu informatiky: texty, obrázky, zvuky a filmy putují na internetu z jedné části světa do druhé ve formě sekvencí 0 a 1: bitů. Tyto digitální cihly, nezbytná součást našeho života, nás vedou k reflexi: je realita tvořena hmotou nebo kousky? Možná, jak nám říká sci-fi film Matrix, žijeme ve velkém elektronickém mozku, který simuluje svět. S tím rozdílem, že bity kvantové mechaniky se liší od „klasických“: nazývají se qubity a umožňují kombinace (a logické operace) bezkonkurenční složitosti ve světě tradičních výpočtů

Existuje teorie, která může vysvětlit vše?

Fyzici hledají teorii všeho, schopnou vše sjednotit: člověka a hvězdy, malé i velké ... podaří se jim to? Neříká se, ale ambice jsou staré. Svým způsobem to už vyzkoušel v 6. století. na. C. řecký filozof Pythagoras pověřením čísel, konečných přírodních složek, úkolem udržovat sjednocený vesmír.

Dnes se však hlavní pozornost zaměřuje na vývoj Stringovy teorie nazvané „Teorie M“. Více než jedna teorie je v současné době systémem 5 různých teorií, které se používají v různých kontextech.

Dalo by se to porovnat s velkou mapou světa: pro věrné znázornění celého zemského povrchu je zapotřebí mnoha malých geografických map, které se částečně překrývají a ukazují různé aspekty stejné krajiny.

Převzato z článku Roberta Rizza a Carolina Borelly

Související Články