Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Transkrypt

1 Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd. Równocześnie Feynman podkreślił, że obliczenia mechaniki kwantowej są niezwykle dokładne. Można je porównać z obliczeniem szerokości kontynentu Ameryki Północnej z dokładnością do grubości ludzkiego włosa.

2 Nasze uczucie absurdalności pewnych faktów mechaniki kwantowej wynika z ograniczenia naszego doświadczenia do świata średniej wielkości, którego przedmioty mierzy się w centymetrach, metrach i kilometrach, a nie w mikronach lub w jeszcze mniejszych jednostkach. Mechanika kwantowa zajmuje się światem bardzo malej skali, skali atomowej i mniejszej.

3 Początki mechaniki kwantowej Pierwszym fizykiem, który zapoczątkował fizykę kwantowa był Max Planck( ) który w 1900 roku eksperymentował z termicznym promieniowaniem takich ciał jak pręt metalu. W miarę podnoszącej się temperatury pręt zmieniał kolor emitowanego światła z czerwonego na zloty, następnie biały i niebieski. Energia promieniowania rośnie z temperaturą. Planck stworzył model promieniowania tzw. czarnego ciała, w którym emitowana energia była mierzona w jednostkach zwanych kwantum. Ten model promieniowania stal się pierwszą teorią kwantowej mechaniki. Fotoelektryczny eksperyment Einsteina W 1905 roku Einstein badał problem naświetlania metalowej powierzchni powodującego emisje elektronów. Zauważył, że intensywność światła nie miała wpływu na emisje elektronów. Elektrony były emitowane, kiedy metal był naświetlany światłem o częstotliwości ponad pewien minimalny próg. To potwierdziło przypuszczenie Plancka, że energia cząstek światła (fotonów) występuje w jednostkach kwantów. Za tą pracę Einstein otrzymał nagrodę Nobla. Model atomu Nielsa Bohra Ważną konsekwencją odkrycia, że światło ma kwantową strukturę

4 było stworzenie przez Nielsa Bohra ( ) modelu atomu. Model jest podobny do układu planet. W centrum atomu jest jądro składające się z protonów i neutronów, a na orbitach są elektrony. Każdy atom ma konkretne orbity, na których są elektrony. Elektron może przeskoczyć na orbitę bliżej jadra lub dalej od środka. W pierwszy przypadku emituje energię w postaci fotonu a w drugim przypadku absorbuje energię. Tak wiec model atomu Bohra jest zgodny z kwantową teorią światła, co zostało potwierdzone eksperymentalnie. Podwójna natura światła i materii Wiemy z licznych doświadczeń, że światło może zachowywać się jak fala lub jak strumień cząstek. Ta podwójna natura światła została odkryta eksperymentalnie już na początku XIX wieku. Co jest bardziej zdumiewające to fakt, że elektrony i atomy tez posiadają podwójną naturę fal i cząstek. Jeśli skierujemy poruszający się pojedynczy elektron tak, aby przeszedł przez barierę z dwoma szczelinami to możemy otrzymać po drugiej stronie bariery rezultat świadczący ze elektron był falą. Możemy, zatem wnioskować że materia świata ma podwójną naturę, cząstek i fal. Zasada niepewności Heisenberga Jeśli chcemy zmierzyć położenie i szybkość samochodu to możemy to zrobić równocześnie używając odpowiednich instrumentów i

5 mierząc te dwie wielkości z dowolną dokładnością. Werner Heisenberg ( ) udowodnił, że w świecie atomowym nie można ustalić równocześnie pewnych par wielkości z dowolną dokładnością. Kwantowe splątanie Jednym z najdziwniejszych zjawisk fizyki kwantowej jest splątanie. Rozważmy dwa bliźniacze fotony, z których każdy może mieć dwa stany, nazwijmy je czerwony i niebieski. Jeden foton zatrzymujemy w laboratorium na Ziemi a drugi wysyłamy do innej galaktyki. Robimy pomiar pierwszego fotonu i otrzymujemy z pewnym prawdopodobieństwem kolor czerwony. Równocześnie foton numer dwa daleko od Ziemi po pomiarze będzie miał stan niebieski. Żadna komunikacja pomiędzy fotonami nie jest możliwa. W jaki zatem sposób foton odległy koordynuje swój stan z fotonem na Ziemi? Być może to zjawisko pozwoli na teleportację, natychmiastowe przemieszczanie materialnych przedmiotów na duże odległości. Teoria kwantowego pola W odróżnieniu od fizyki klasycznej położenie elektronu nie jest określone jednym punktem. Możemy tylko określić położenie elektronu funkcją prawdopodobieństwa w przestrzeni. Dopiero w momencie pomiaru elektron pokazuje się w jednym konkretnym miejscu. Tę właściwość można uogólnić na zbiór cząstek, które istnieją w przestrzeni i są określone funkcją prawdopodobieństwa. Ta idea prowadzi do teorii kwantowego pola. Podobnymi pojęciami są pole elektromagnetyczne, pole elektrostatyczne i pole grawitacji.

6 Konkluzja Nasza intuicja ogranicza nasze pełne zrozumienie świata atomowego. Możemy go rozumieć tylko dzięki matematyce i dzięki eksperymentom potwierdzającym teorie i obserwacje. Matematyka pozwala nam poznać świat i tworzyć liczne przyrządy elektroniczne. To, że intuicja zawodzi w świecie atomowym nie jest ani dziwne ani poważnie limitujące nasze poznanie rzeczywistości. Można przypuszczać, że dzieci, które nie znają klasycznej fizyki mogą łatwiej zaakceptować fizykę kwantową, ponieważ nie są zmuszone do korygowania swojej wiedzy