Τι είναι η Κβαντική Φυσική;

Η κβαντική φυσική είναι ένας συγκεκριμένος τομέας της φυσικής που ασχολείται με θεμελιώδεις μονάδες ύλης και ενέργειας.

Στον κόσμο μας, τα πράγματα είναι αρκετά ξεκάθαρα και λογικά. Ένα αυτοκίνητο είναι είτε σε ηρεμία είτε κινείται, το στερεοφωνικό είναι είτε ενεργοποιημένο είτε απενεργοποιημένο, μια γάτα είναι είτε νεκρή είτε ζωντανή – τη μια ή την άλλη κατάσταση. Δεν υπάρχει μέση λύση ή συνδυασμός κρατών.

Αλλά δεν μπορεί να ειπωθεί το ίδιο για τον κόσμο στο πιο θεμελιώδες επίπεδο – στην κλίμακα του πιο βασικού σωματιδίου από το οποίο είμαστε φτιαγμένοι.

Εδώ, ένα σωματίδιο δεν υπάρχει στη μία ή στην άλλη κατάσταση, αλλά σε έναν αριθμό καταστάσεων ταυτόχρονα. Όπως εξήγησε ο Schrodinger, μια γάτα (του θεμελιώδους κόσμου) δεν θα ήταν ούτε νεκρή ούτε ζωντανή. Θα υπήρχε μεταξύ των δύο κρατών, και νεκρών και ζωντανών. Αυτό, το ονόμασε υπέρθεση, όπου ένα σωματίδιο υπάρχει σε συνδυασμό καταστάσεων.

Παράξενο σωστά; Αλλά αυτός είναι ο παράξενος κόσμος που ονομάζεται κβαντικός κόσμος, που κυβερνάται από την κβαντική φυσική.

Η γάτα του Schrodinger:Η κατάσταση αυτής της γάτας δεν μπορεί να περιγραφεί ούτε ως νεκρή ούτε ως ζωντανή, αλλά μάλλον ως κατάσταση που είναι ένα μείγμα και των δύο. Έτσι, η γάτα του Schrodinger είναι και νεκρή και ζωντανή ταυτόχρονα. (Φωτογραφία:Sudowoodo/Shutterstock)

Έχει γίνει αρκετά δημοφιλές θέμα τα τελευταία χρόνια και το μεγαλύτερο μέρος της εύσης πηγαίνει στην επιστημονική φαντασία. Οι θεωρίες του εναλλακτικού σύμπαντος και του ταξιδιού στο χρόνο, σίγουρα μας διασκεδάζουν. Αλλά τι ακριβώς είναι αυτό το θέμα που τροφοδοτεί τον κόσμο της επιστημονικής φαντασίας με περιεχόμενο;

Τι είναι η κβαντική φυσική;

Το «Quantum» είναι μια λατινική λέξη της οποίας η κυριολεκτική σημασία είναι «πόσο», αλλά χρησιμοποιείται για να μιλήσει για το ελάχιστο ποσό κάποιας φυσικής οντότητας. Εύστοχα, το χρησιμοποιούμε για να αναπαραστήσουμε τα πιο στοιχειώδη σωματίδια που είναι τα βασικά ή «το ελάχιστο» αυτού του μεγάλου κόσμου.

Έτσι, η κβαντική φυσική ασχολείται με τα θεμέλια του κόσμου μας – τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο, τα πρωτόνια μέσα στον πυρήνα, τα κουάρκ που χτίζουν τα πρωτόνια, τα φωτόνια που αντιλαμβανόμαστε ως φως, κ.λπ. ύλη και ενέργεια.

Ακούγεται πολύ απλό, σωστά;

Τότε σε τι διαφέρει από την κανονική φυσική;

Η κβαντική φυσική είναι η μελέτη της ύλης και της ενέργειας σε στοιχειώδες επίπεδο (Photo Credit :Jurik Peter/Shutterstock)

Η «κανονική» φυσική είναι η φυσική που ασχολείται με τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα και τη σχετική μηχανική του. Ονομάζεται Κλασική Φυσική.

Αυτό συνθέτει τη φυσική της καθημερινής μας συνηθισμένης ζωής - την κύλιση των σφαιρών, την περιστροφή της γης, τη μηχανική των κινητήρων κ.λπ.

Αλλά αν αυτή η φυσική είναι τόσο ευρεία, γιατί ήταν τόσο ανεπαρκής;

Σχετικά με την προέλευση της κβαντικής φυσικής

Ας πάμε πίσω στο χρόνο στη δεκαετία του 1900 για να παρακολουθήσουμε τη γέννηση της Κβαντικής Φυσικής. Αυτή ήταν μια εποχή που οι επιστήμονες δεν ήταν ακόμη σε θέση να κατανοήσουν τις παρατηρήσεις του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Με απλά λόγια, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο το φως προσπίπτει στο μέταλλο με αποτέλεσμα την πτώση των ηλεκτρονίων.

Σύμφωνα με την «κανονική» φυσική, τα ηλεκτρόνια θα πρέπει να αρχίσουν να διαφεύγουν από το μέταλλο όταν η φωτεινότητα του φωτός είναι πάνω από ένα επαρκές όριο. Αλλά στην πραγματικότητα, ήταν το χρώμα του φωτός που καθόριζε εάν θα εκπέμπονται ηλεκτρόνια ή όχι.

Φωτοηλεκτρικό εφέ (Photo Credit :petrroudny43/Shutterstock)

Αυτό ήταν όταν ο Albert Einstein στράφηκε στην εξίσωση του Max Planck. Η εξίσωση του Planck ανέφερε ότι τα κύματα φωτός μεταφέρουν ενέργεια σε μικρά πακέτα που ονομάζονται «κβάντα». Αυτό εξηγούσε πώς κάθε χρώμα φωτός είχε μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας που σχετίζεται με το μήκος κύματός του. Αυτή η ενέργεια με τη σειρά της ήταν η υπεύθυνη για την απόρριψη των ηλεκτρονίων.

Ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε την εξίσωση του Πλανκ για να προτείνει ότι το φως δεν λειτουργεί μόνο ως κύμα αλλά και ως σωματίδιο, ένα σωματίδιο που αργότερα ονομάστηκε φωτόνιο.

Ιδρυτές της Κβαντικής Φυσικής – Πλανκ και Αϊνστάιν (Photo Credit :research Gate)

Από τότε, οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι η κανονική φυσική δεν ήταν επαρκής για την κατανόηση του μικροσκοπικού κόσμου.

Ονόμασαν αυτή την «κανονική» φυσική ως Κλασική Φυσική, μια φυσική του παρελθόντος και αυτή που ασχολείται με τον θεμελιώδη κόσμο ως «Κβαντική Φυσική».

Αυτός ο κόσμος λοιπόν ονομάζεται τώρα «κβαντικός κόσμος».

Τι κάνει την Κβαντική Φυσική διαφορετική από την Κλασική Φυσική;

Ας είμαστε ειλικρινείς, ο εγκέφαλός μας είναι φτιαγμένος για αυτόν τον μακροσκοπικό κόσμο όπου μπορούν να κατανοήσουν τη λειτουργία ενός αυτοκινήτου σε έναν δρόμο, τη μηχανική ενός στυλό κ.λπ., αλλά δεν είναι σε θέση να κατανοήσουν τον κβαντικό κόσμο.

Για παράδειγμα, φανταστείτε ότι στέκεστε μπροστά από έναν τεράστιο τοίχο και στοχεύετε να φτάσετε στην άλλη πλευρά του. Αυτός ο τοίχος περιβάλλεται από θανατηφόρους αλιγάτορες στις άλλες δύο πλευρές, οπότε οι μόνες σας επιλογές είναι είτε να τον κλιμακώσετε είτε να κάνετε μια τρύπα μέσα από αυτόν. Αλλά αν δεν έχετε αρκετή ενέργεια για να κάνετε ένα από τα δύο, δεν θα μπορείτε να φτάσετε στον προορισμό σας, σωστά;

Λοιπόν, έτσι λειτουργεί ο μακροσκοπικός κόσμος.

Κβαντική σήραγγα – ένα σωματίδιο με ανεπαρκή ενέργεια που διασχίζει το ενεργειακό φράγμα (Φωτογραφία :Felix Kling/Creative Commons)

Αυτή η λογική είναι απολύτως σωστή σε αυτόν τον κόσμο, αλλά στον κβαντικό κόσμο, ένα σωματίδιο μπορεί ακόμα να περάσει από ένα τέτοιο ενεργειακό φράγμα χωρίς επαρκή ενέργεια. Αυτό ονομάζεται κβαντική σήραγγα.

Αυτό το φαινόμενο είναι υπεύθυνο για την πυρηνική σύντηξη που είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ενέργειας των άστρων.

Έτσι ξεκάθαρα, όταν η κανονική λογική ή η διαίσθησή μας αποτυγχάνει, η μόνη αξιόπιστη διαίσθηση στην οποία μπορεί να σταθεί ο κβαντικός κόσμος είναι… τα Μαθηματικά. Το θέμα της κβαντικής φυσικής μιλάει στη γλώσσα των μαθηματικών.

Και από τη γέννηση της κβαντικής φυσικής, τα μαθηματικά μας έχουν πει διάφορες παράξενες ιστορίες από τον κβαντικό κόσμο. Για παράδειγμα, είναι τα μαθηματικά της εξίσωσης του Schrodinger που υπονοούν ότι τα σωματίδια στον κβαντικό κόσμο δεν έχουν καθορισμένες καταστάσεις.

Κατανοώντας αυτό, ο Schrodinger προσπάθησε να το εξηγήσει μέσω του παραδείγματός του "Η γάτα του Schrodinger" που είδαμε στην αρχή. Ομοίως, τα μαθηματικά είναι αυτά που υπονοούν ότι οι καταστάσεις δύο σωματιδίων μπορούν ακόμη και να συμπλέκονται με τέτοιο τρόπο ώστε ακόμη και μετά τον διαχωρισμό, οι κβαντικές καταστάσεις αυτών των σωματιδίων να παραμένουν συνδεδεμένες. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως κβαντική εμπλοκή.

Κβαντική εμπλοκή:Όταν οι κβαντικές καταστάσεις δύο σωματιδίων επικαλύπτονται με τέτοιο τρόπο ώστε αυτά (κατάσταση) να παραμένουν μπλεγμένα ακόμα και μετά τον διαχωρισμό τους. (Πίστωση:ezphoto/shutterstock)

Κβαντική φυσική του κόσμου Sci-Fi

Έχουμε δει συχνά τη δραματοποίηση ασυνήθιστων κβαντικών φαινομένων που απεικονίζονται στον μακροσκοπικό μας κόσμο μέσω ταινιών και τηλεοπτικών εκπομπών.

Πάρτε για παράδειγμα το σύμπαν της Marvel. Οι ταινίες της Marvel φημίζονται για την έντονη χρήση της κβαντικής φυσικής, τουλάχιστον τις λέξεις, αν όχι τη φυσική μερικές φορές!

Παρόλο που το μεγαλύτερο μέρος της είναι μυθοπλασία που χαρακτηρίζεται ως κβαντική φυσική, υπάρχουν ορισμένες σκηνές που βασίζονται σε αληθινές έννοιες. Ένα από τα οποία είναι οι «πολλαπλές πραγματικότητες» του Doctor Strange.

Αρχικά, ας κατανοήσουμε την κβαντική φυσική στην οποία βασίζεται.

Αυτό το θέμα ασχολείται με τα σωματίδια με όρους πιθανοτήτων . Για παράδειγμα, ενώ μιλάει για τη θέση ενός ηλεκτρονίου, ένας φυσικός θα πει, «Το ηλεκτρόνιο είναι πιο πιθανό να υπάρχει σε αυτό το εύρος μήκους, ας πούμε μεταξύ 1 και 3 μονάδων». Αλλά το ίδιο πράγμα μπορεί να ερμηνευθεί ως ηλεκτρόνια που υπάρχουν σε διαφορετικές πραγματικότητες σε διαφορετικές θέσεις στην πιθανή περιοχή.

Άρα, μπορεί να υπάρχει σε 2 μονάδες σε μια πραγματικότητα ενώ σε 3 σε μια άλλη πραγματικότητα ή οποιονδήποτε άλλο πιθανό αριθμό μεταξύ του πιο πιθανού εύρους του. Εν ολίγοις, υπάρχουν πολλές πραγματικότητες που καλύπτουν κάθε πιθανή θέση του σωματιδίου. Δείτε, τα μαθηματικά και τις επιπτώσεις τους ξανά! Μια τεράστια μεγέθυνση αυτής της έννοιας είναι αυτό που βλέπουμε στις πολλαπλές πραγματικότητες του Doctor Strange. Κάθε πιθανότητα μιας πραγματικότητας είναι ένα ξεχωριστό σύμπαν από μόνη της εκεί και ως εκ τούτου έχουν πολλαπλά σύμπαντα.

Ταινία:Doctor Strange (Προστασία φωτογραφίας:ταινία Doctor Strange/Marvel Entertainment)

Μια άλλη πολύ διάσημη χρήση αυτής της έννοιας είναι στην αγαπημένη μας ταινία, «Endgame» για την ιδέα του ταξιδιού στο χρόνο. Η ταινία καταλαβαίνει ότι αν αλλάξουμε το παρελθόν, θα αλλάξει και το μέλλον. Αν λοιπόν γυρίσουν τον χρόνο πίσω και σκοτώσουν τον Θάνο, ποιος θα φέρει την αποκάλυψη και γιατί κάποιος θα ταξιδέψει πίσω στο χρόνο για να τον σκοτώσει τότε; Αυτό το ζήτημα ονομάζεται το παράδοξο του παππού.

Λύση σε αυτό το παράδοξο έδωσε ο David Deutsch. Ναι, αυτό Το «David Deutsch» που αναφέρεται από τον Tony Stark στην ταινία. Ο Deutsch είπε ότι ο μόνος τρόπος για να εξαλειφθεί αυτό το παράδοξο είναι αν μιλήσουμε για τα γεγονότα με όρους πιθανότητες όπως μιλάμε για σωματίδια. Έτσι, η αλλαγή του παρελθόντος έχει μόνο μια ορισμένη πιθανότητα να συμβεί. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να μην μπορούν καν να σκοτώσουν τον Thanos στο παρελθόν, p ροβαιλιστικά μιλώντας!

Έτσι, το έξυπνο πράγμα που έκαναν ήταν να επιστρέψουν και να φέρουν όλες τις Infinity Stones πριν καταστραφούν. Έπειτα επιστρέφοντάς τα στην ίδια ώρα για να αποφευχθεί οποιαδήποτε αλλαγή λόγω των Stones που λείπουν. Πρέπει να παραδεχτεί κανείς ότι ήταν πράγματι έξυπνο!

Avengers:Endgame (Προστασία φωτογραφίας:Avengers:Endgame movie/Marvel Entertainment)

Η αυξανόμενη σημασία της Κβαντικής Φυσικής

Η κβαντική φυσική έχει σίγουρα τροφοδοτήσει με πολλή μυθοπλασία τις γενικές μάζες. Έχει γίνει όμως και απαραίτητο. Έχει αφομοιωθεί σε άλλους τομείς της επιστήμης και εξακολουθεί να επεκτείνεται. Για παράδειγμα, οι κβαντικοί υπολογιστές στοχεύουν στην εκτέλεση εργασιών που είναι πολύ περίπλοκες για έναν κλασικό υπολογιστή. Υπάρχει μεγάλη πίεση για τη δημιουργία ενός καλύτερου συστήματος επικοινωνίας χρησιμοποιώντας κβαντική φυσική για καλύτερη ασφάλεια και απόρρητο.

Κβαντικός Υπολογιστής (Φωτογραφία:Bartlomiej K. Wroblewski/Shutterstock)

Η παραγωγή ενέργειας μέσω ενός πυρηνικού αντιδραστήρα θα μπορούσε να είναι δυνατή μόνο λόγω της μελέτης της πυρηνικής σχάσης μέσω της κβαντικής φυσικής. Είναι επίσης βαθιά ριζωμένο στο θέμα της αστροφυσικής. Εξάλλου, ο καλύτερος τρόπος για να απαντήσουμε στις ερωτήσεις του σύμπαντος είναι αν κατανοήσουμε τα δομικά στοιχεία του.

Η μελέτη του σύμπαντος απαιτεί κβαντική φυσική (Φωτογραφία:Jurik Peter/Shutterstock)

Αλλά ανεξάρτητα από το αν καταλαβαίνουμε αυτό το θέμα ή όχι, σίγουρα αυξάνεται η σημασία του. Με περισσότερα από αυτά να έρθουν, μπορούμε να πούμε με ασφάλεια ότι σύντομα θα γίνει αναπόσπαστο μέρος της ζωής μας.