Kas yra kvantinė mechanika? Mokslo populiarinimo konkursas

Teigiamą krūvį turintys protonai ir jokio krūvio neturintys neutronai sudaro atomo branduolį. Neutronai yra neutralūs, krūvio neturi, tačiau yra labai nestabili dalelė, kuri gali skilti į protoną, elektroną ir neutriną. Neutrinas yra ideali neutrali dalelė: jis neturi krūvio, o masė yra labai maža, dėl to sakoma, kad masės jis išvis neturi.

Taip pat labai mažą masę turi elektronas, jo masė lygi m_e ≈ 9,09 * 10^-31, jis turi neigiamą krūvį. O pozitronas yra elektrono antidalelė, turinti teigiamą krūvį.

Kvarkai yra fundamentaliosios dalelės, iš jų susidaro visos stipriai sąveikaujančios elementariosios dalelės (pavyzdžiui, protonai), jie skirstomi į tris tipus, ir nerandami laisvi – tik sudarydami elementariąsias daleles. Fotonas yra šviesos dalelė, arba šviesos kvantas, kuri neturi krūvio ir gali egzistuoti tik judėdama šviesos greičiu. Paminėti kvantai nėra kažkokia atskira dalelė, tačiau yra labai svarbūs kvantinėje mechanikoje: kvantas yra nedalomas energijos kiekis – pavyzdžiui fotonas yra šviesos kvantas. Ši koncepcija buvo išvystyta iki kvantinės mechanikos teorijos.

Kvantą atrado žymus mokslininkas Maxas Planckas – bandydamas suprasti, kodėl kaitinamas plienas netampa nematomu. Klasikinėje fizikoje tuo metu buvo manoma, kad labiau kaitinamas plienas turi skleisti vis daugiau energijos per šviesą, taip keisdamas savo spektrą, kol jo šviesa taptų ultravioletine, tai yra nematoma – bet taip nevykdavo, plienas visą laiką išliko matomu.

Kelerius metus M. Planckas bandė įrodyti šį reiškinį klasikinės fizikos būdu, bet atsakymo nerado – dėl to pradėjo teigti, jog šviesa skleidžiama ne pastoviai, o atskiromis dalelėmis, t. y. kvantais. Iš šios teorijos jis sukūrė formulę: E = hv, kurioje E yra eneregija, v yra dažnis, na o h yra vadinama Planko konstanta, kuria jis išvedė žinodamas E ir v. Vėliau šią formulę ir teoriją įrodė fizikai eksperimentatoriai – ir net tiksliai apskaičiavo Planko konstantos reikšmę.

1900–12–14 vokiečių fizikų susirinkimo metu M. Planckas pristatė savo teoriją – ši diena neoficialiai vadinama kvantinės mechanikos gimtadieniu ir naujos eros fizikoje pradžia. Danų fizikas Nielsas Bohras, naudodamas kvantavimo idėją, bandė paaiškinti atomo stabilumą. Jo mokytojo Ernesto Rutherfordo – arba planetinis atomo modelis – turėjo prieštaravimų, kadangi pagal tuo metu žinomus fizikos dėsnius tokia trajektorija judėdami elektronai su pagreičiu turėtų spinduliuoti elektromagnetines bangas, jas spinduliuodami elektronai greitai netektų energijos ir nukristų ant branduolio – tačiau taip nevyksta.

N. Bohras, pritaikęs M. Plancko sukurtą formulę, sukūrė du postulatus: 1. Atomas nespinduliuoja energijos stacionarioje būsenoje, 2. Atomas spinduliuoja energiją tik keisdamas savo būseną – tai yra, kai elektronas pereina iš vieno sluoksnio į kitą, tuo metu atomas išspinduliuoja kvantą. Naudodamas savo atradimą ir eksperimentuodamas, jis išvedė Blamerio formulę, kuri nusako vandenilio atomo spektro linijų bangų ilgius. Bet N. Bohro modelis ir formulė irgi nebuvo tikslūs: ne vandenilio atomuose eksperimentai nesutapo su teorija, dėl to tyrimai šioje srityje tęsėsi.

Žinoma, tai ne visi jo atradimai – pavyzdžiui, jis kartu su Werneriu Heisenbergu sukūrė Kopenhagos interpretaciją (apie kurią pakalbėsime šiek tiek vėliau) ir net trumpam spėjo sudalyvauti Manheteno projekte.

W. Heisenbergas yra vienas iš kvantinės mechanikos pradininkų, 1925 m. paskelbęs savo „Kvantinę teorinę kinematinių ir mechaninių ryšių interpretaciją“. Besigydant ligoninėje jam kilo mintis, kad N. Bhoro atomo modelyje prieštaravimai kyla dėl naudojimo tokių dydžių, kurie niekada nebuvo pastebėti eksperimentų metu. Vadinasi, yra nežinoma, ar tie dydžiai iš viso gali būti stebimi. Kadangi elektrono judėjimo trajektorijos neįmanoma stebėti, tyrėjas pasiūlė vietoje ankstesnių bandymų nustatyti trajektoriją, hipotetiškai performuluoti teoriją joje panaudojant dydžius, kuriuos galime stebėti eksperimentų metu, kaip tai daroma astronomijoje.

Vienas iš stebimų dydžių buvo išskiriamų fotonų dažnis, pereinant elektronui iš vieno sluoksnio į kitą – žinant dažnį, matematikoje pasitelkus Furje transformaciją dažnį galima paversti trajektorija. Toliau vystydamas teoriją ir naudodamas Furje eiles, W. Heisenbergas išvedė sudėties ir daugybos formules objektams, turintiems du indeksus. Kai pastebėjo, kad daugybos formulėje dydžių dėsningumas turėjo reikšmę – tai yra x * y nelygu y * x, mokslininkas nustebo. Šis ypatumas tapo vienu iš esminių skirtumų tarp kvantinės ir klasikinės fizikų.

Kai W. Heisenbergas paskelbė šią teoriją, prasidėjo Naujosios kvantinės fizikos etapas. Kaip pasakė vienas fizikas, „tai momentas, kai Heisenbergas rado mažą takelį, kuris išvedė iš tamsos į naujos fizikos šviesą“. Tik vėliau ši fizikos dalis pradėta oficialiai vadinti Kvantine mechanika.

Be to, W. Heisenbergas suformulavo Neapibrėžtumo principą, kuris teigia, kad turėdami dvi kvantinio objekto savybes, kuo tiksliau žinosime vieną jo savybę, tuo netiksliau žinosime kitą. Pavyzdžiui, jei greitai judantį objektą nufotografuosime su ilga ekspozicija, galėsime pamatyti, kad objektas juda greitai – tačiau mes negalėsime suprasti, kur jis yra. Bet jei nufotografuosime su trumpa ekspozicija, lengvai galėsime nustatyti, kur jis yra, tačiau nepastebėsime jo judėjimo greičio.

Ankščiau minėti fizikai padarė didžiulę įtaką kvantinei fizikai, bet du žymiausi fizikai šioje sferoje yra Erwinas Schrödingeris ir Albertas Einsteinas. E. Schrödingeris 1926 m. paskelbė savo darbą, kuriame buvo klasikiniu metodu aprašyti veiksmai, kurie vyksta atome. Tai buvo reikalinga, nes tuometiniai įžymūs fizikai šioje srityje naudojo tokius matematinius ir fizikinius veiksmus, kuriuos galėjo suprasti tik keli matematikai ir keli fizikai.

E. Schrödingerio idėjos turėjo didelį palaikymą senųjų fizikų gretose, bet ir stiprų pasipriešinimą tarp naujųjų fizikų. Šiame darbe buvo paminėta žymi Schrödingerio formulė. Vėliau jis sugalvojo savo atomo modelį ir žymų eksperementą su vadinamąja (hipotetine) Schrödingerio kate, kuriuo paaiškinama superpozicija ir kvantinis nemirtingumas.

A. Einsteinas kvantinėje fizikoje pasižymėjo fotoelektrinio efekto paaiškinimu – už tai jis gavo Nobelio premiją, tuo pačiu jis papildė M. Plancko teoriją. Žinoma, čia dar nepaminėjau daug žymių vardų, kurie prisidėjo prie kvantinės fizikos, pavyzdžiui: Wolfgango Pauli, Paulio Diraco, Ernesto Jordano, Maxo Borno, Arnoldo Sommerfeldo ir kitų.

Jau minėta Kopenhagos interpretacija, sukurta N. Bohro ir W. Heisenbergo – jos idėja slypi tame, kad kvantinė mechanika yra atsitiktinė, o objektai turi tam tikrų savybių poras, kurių negalima išmatuoti arba stebėti vienu metu. Be to, objekto stebėjimas arba matavimas yra negrįžtami procesai, ir objektui negali būti priskirta kita tiesa, išskyrus matavimo rezultato.

Ką tai reiškia? Kad suprastume tai, pirmiausiai reikia suprasti, kas yra kvantinė superpozicija. Tai yra būsena, kai dalelė kvantinėje fizikoje vienu metu turi dvi reikšmes. Įsivaizduokite knygą, kuri guli ant stalo – bet kvantinėje mechanikoje, jeigu ji yra superpozicijoje, ji gali vienu metu gulėti ir ant stalo, ir ant lovos.

Jeigu tikėti Kopenhagos interpretacija, matuojant arba stebint knygą (stebėjimas yra atliekamas tik matavimo prietaisais, o žmogaus akis nėra toks prietaisas), mes išmatuojame, kad knyga yra ant stalo, ir išmatuodami ją mes pasirenkame vieną jos būseną – šiuo atveju, kad ji yra ant stalo. Beje, tai vienas didžiausių sunkumų tiriant kvantinę fiziką – nes stebint tam skirtais prietaisais, mes keičiame patį kvantinį pasaulį.

Daugiapasaulinėje interpretacijoje, sukurtoje mokslininko Hugho Everetto, kiekviena iš įmanomų galimybių įvyksta kitame tuo metu sukurtame pasaulyje – tai yra, bandant išmatuoti ar stebėti kvantinį kūną, kiekvienas įmanomas rezultatas įvyksta tiesiog skirtinguose pasauliuose. Grįždami prie knygos pavyzdžio – jeigu tikėti daugiapasaulinė interpretacija, tuo metu, kai bandysime išmatuoti knygos padėtį, atsiras du pasauliai, ir viename knyga gulės ant stalo, kitame – ant lovos. Tačiau mes matuodami gauname tik vieną variantą – ir negalime įrodyti ar paneigti šios teorijos. Būtent šios interpretacijos principu veikia kvantinis nemirtingumas.

Pastaruoju metu kvantinė fizika daugiausiai tiriama dalelių greitintuvuose, ir žymiausias atradimas yra eksperimentiniu būdu išgautas Higgso bozonas. Lietuvoje šis mokslas irgi vystomas: neseniai buvo įsteigta Lietuvos kvantinių technologijų asociacija. Žinoma, galite paklausti: jeigu kvantinė mechanika yra tiek daug tiriama, kokius žmonijai naudingus atradimus lėmė šis mokslas? Jeigu išskirti atominę energiją, kurios atsiradimą lėmė ir kvantinė fizika, galima dar paminėti telefono ar kito elektros prietaiso ekranus, triodą, tranzistorių, lazerį, elektroninį mikroskopą, elektroprietaisų atmintis, o dabar dar bandoma ir sukurti kvantinį kompiuterį.

Apibendrindamas noriu pasakyti, kad šioje esė tik parodžiau kvantinės fizikos paviršių – ir net jį nelabai paliečiau. Pasistengiau pristatyti faktus, kurie yra įdomūs ne tik man, bet ir skaitytojui. Šiuo esė siekiu sudominti skaitytoją – ir žinoma. informacija čia yra supaprastinta ir apibendrinta, kad bet koks žmogus, turintis bent mokyklinį išsilavinimą, galėtų suprasti ir gal susidomėti šia tema. Skaitančius kviečiu mąstyti kritiškai, tikrinti šaltinius ir patiems domėtis šia tema bei giliau ją suprasti – bet tuo pačiu tikiuosi, kad jums buvo įdomu, ir gal išmokiau kažko naujo arba priminiau kažką seno.