Nieprawdopodobnie prawdopodobne - fizyka kwantowa

Wypowiedzenie hasła "fizyka" w tłumie skończy się dziwnymi spojrzeniami. Zaś dodanie "kwantowa" sprawi, iż będą chcieli Cie spalić na stosie i posądzą o czary. I w cale do końca mnie to nie dziwi, bo fizyka kwantowa kłóci się z naszym postrzeganiem świata. Kłóci się również póki co z fizyką klasyczną. 

Fizyka kwantowa obowiązuję TYLKO I WYŁĄCZNIE w mikroświecie. W większych na pierwsze miejsce wkracza fizyka klasyczna.

Początki fizyki kwantowej

W przeciwieństwie do poukładanej fizyki klasycznej, która jest z nami od bardzo dawna, kwantowa ma na swoim karku około 100 lat. 

Pewien znany fizyk Max Planck usiłował wyprowadzić widmo ciała doskonale czarnego. Niezbędne jednak okazało się, wprowadzenie koncepcji kwantu światła - czyli fotonu. Dzięki temu, pięć lat później Albert Einstein posłużył się tym, by wyjaśnić zjawisko fotoelektryczności.

Dualizm korpuskularno-falowy, interferencja i fotony

Dzięki tym odkryciom wiemy, iż światło zachowuje się jak fala w niektórych sytuacjach, oraz jako wiązka cząstek przy oddziaływaniu z materią. Nazywamy to dualizmem korpuskularno-falowym.

Brzmi ciężko? Nie jest tak źle, ale przedstawmy to w prosty sposób: 

Mając źródło światła, zasłonę z jedną szczeliną, oraz ekran za nią, który określa gdzie uderzył foton, zobaczymy coś takiego: 

Mianowicie gdy dodamy drugą szczelinę, ujrzymy coś zgoła innego: 

Zjawisko to nosi nazwę interferencji.

Nie jesteśmy w stanie dokładnie przewidzieć, gdzie uderzy foton (może to być również elektron, czy neutron). Ale możemy określić prawdopodobieństwo, w którym miejscu będzie ich więcej, a w którym mniej.

Wygląda to dość przewrotnie w rozumowaniu fizyki klasycznej. Musimy odrzucić sporo zasad, które obowiązują w makroświecie.

Atomy jak Układy Słoneczne... Ale jednak nie.

Atom, w pewnym sensie możemy porównać do Układu Słonecznego. Ot jest jądro atomu (Słońce) a dookoła krążą elektrony (planety). I tutaj w sumie podobieństwo się kończy, bo o ile orbitę dajmy na to Ziemi przy użyciu siły można byłoby zmienić, o tyle orbita elektronu wokół jądra jest stabilna. To znaczy, że elektron może "przeskoczyć" między nimi. Nazywa się to kwantowym skokiem.

Oczywiście, by przeskoczyć elektron ten potrzebuje(pochłania) określonej energii, lub oddaje(emituje) jej część.
Owe przeskoki wykazały iż istnieje skończona możliwość podziału energii. Tak samo, jak wygląda to z pamięcią komputera, gdzie najmniejsza jednostka to bit. W fizyce kwantowej nazywa się to kwantem.

Kwant – najmniejsza porcja, jaką może mieć lub o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna w pojedynczym zdarzeniu; np. kwant energii, kwant momentu pędu, kwant strumienia magnetycznego, kwant czasu. - Źródło https://pl.wikipedia.org/wiki/Kwant


Niestety, fizyka kwantowa karci nas za używanie zasad przyjętych przez fizykę klasyczną, tym samym musimy iść na wiele kompromisów.

Jednym z nich jest niemożność określenia pędu i położenia jednocześnie:
Jedzie elektron na motorze, zatrzymuje go policja:
- Proszę pana, wie pan, że pędził pan 250 kilometrów na godzinę?
- Świetnie! Dzięki panu teraz nie wiem gdzie jestem!

Gdy poznajemy położenie fotonu, nie jesteśmy w stanie określić pędu. I odwrotnie.


By "znaleźć" elektron, niestety, ale musimy użyć do tego fotonów. A zasada prawdopodobieństwa uniemożliwia nam precyzyjne określenie stanu ani elektronu, ani fotonu. Jeżeli postanowimy użyć krótszej fali światła, obraz niestety zostanie tylko bardziej rozmazany.

Możemy użyć wzoru, który pokaże nam iż zwykły pyłek kurzu również może sprawić nam ogromne problemy - Dokładne obliczenia tutaj strona 94

W najbliższym czasie postaram się rozjaśnić pojęcie cząstek splątanych i zastosowań, które mogą w przyszłości nam oferować. Tym czasem miłej lektury, dla tych, którzy chcą dowiedzieć się czegoś więcej. Polecam książki jak i strony, które podałem w bibliografii na dole.

Źródła oraz literatura uzupełniająca:

L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, E. Kołodziej, Warszawa 1996;

J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, J. Bieroń, Warszawa 1999;

https://inf.ug.edu.pl/kierunkizamawiane/materialy.fizyka/mechkwant_1.pdf;

http://www.old.if.pwr.wroc.pl/~wsalejda/old_qm.pdf;