Mechanika kwantowa to wbrew powszechnym opiniom niezwykle ciekawy temat, jednak mimo wielu publikacji o charakterze popularno naukowym nadal pozostaje tą "ciemną" stroną fizyki.
Czytając "Strukturę wszechświata" Greene'a trochę poznałem historię mechaniki kwantowej, ale przede wszystkim zrozumiałem dlaczego autor wyraża dla tej dziedziny wielki entuzjazm.
Z pewnością znacie podstawy, w tym i na poziomie matematycznym (o czym ja nie mam zielonego pojęcia) ale warto zacząć od początku.
Mechanika kwantowa jako taka pojawiła się wraz z pracami Heisenberga i Schrödingera, ale autorami samej koncepcji byli na początku ubiegłego wieku Max Planck i Albert Einstein, notabene późniejszy wielki przeciwnik tej teorii.
Ogólnie chodziło o właściwości promieniowania, a konkretniej podzielenie go na pewne porcje, tzn. kwanty. Kwant jest najmniejszą jednostką na jaką można podzielić jakąś wartość, na przykład kwant światła (promieniowania) to foton. Ta koncepcja sugeruje, że światło jest czymś więcej niż falą, stąd dualizm korpuskularno-falowy cząstek i fal, ale wnioski zaraz.
Najważniejszą zasadą mechaniki kwantowej jest zasada nieoznaczoności Heisenberga - uogólniając zakłada ona, że nie możemy jednocześnie znać dwóch powiązanych cech danej cząstki. Jeśli zmierzymy prędkość pędzącego elektronu, nigdy nie dowiemy się w którym miejscu przebywał podczas pomiaru. W odwrotnej sytuacji - znając dokładne położenie elektronu okazuje się, że nie możemy poznać jego prędkości.
Matka natura okazuje się na tyle sprytna, że chcąc przewidzieć matematycznie położenie naszego elektronu, wiedząc skąd leci i gdzie trafi, nadal nie wiemy o nim wszystkiego. I nie poznamy nigdy, ponieważ własnością skali cząstek elementarnych jest nieoznaczoność. Choćby coś tak oczywistego jak położenie cząstki określane jest jedynie przez prawdopodobieństwo.
Zanim nie dokonamy pomiaru, dysponujemy wykresem prawdopodobieństwa jakiejś cechy cząstki. Jeśli jest to położenie, to wiemy, że może ona być mniej więcej w tym obszarze, ale do momentu pomiaru to tylko wartość procentowa.
Mniej więcej tak to wygląda aż wykonamy pomiar, wtedy wartość wzrasta do 100% w jednym miejscu. Na zdrowy rozsądek oznaczało by to, że nasze wyliczenia były po prostu niedokładne, ale w rzeczywistości jest nieco ciekawiej. Został przeprowadzony eksperyment, który osobiście uważam za jeden z najbardziej uderzających.
Otóż jest zjawisko interferencji fal, tak jak fale na wodzie mogą się wzajemnie wzmacniać lub eliminować po wrzuceniu dwóch kamyków do jeziora, tak światło widzialne może być mocniejsze jeśli grzbiet fali natrafi na drugi grzbiet, lub dolina natrafi na dolinę. Jeśli grzbiet jednej fali natrafi na dolinę drugiej, to wypadkowa będzie wynosiła zero - fale wygaszą się.
Najlepiej zaobserwować tę właściwość wycinając dwie prostokątne i równoległe dziury w kartce i świecąc przez nie latarką. Na zdrowy rozum, za otworami, na ścianie powinny pojawić się dwa paski światła, ale dzięki interferencji mamy więcej pasków.
Do zjawisko dotyczy wszystkich fal. Ale jak to się ma do mechaniki kwantowej? Jeśli nastawimy naszą latarkę na emitowanie jednego fotonu, (albo jednego elektronu w innej wersji eksperymentu) co kilka sekund, to nie będzie mógł on interferować z innymi cząstkami, ponieważ będzie przedostawał się przez szczelinę sam. Uprzedzając wątpliwości, jest możliwe zbudowanie emitera pojedynczych cząstek. Ścianę zastąpimy detektorem cząstek, żeby widzieć efekty eksperymentu i czekami jakiś czas aż cząstek przedostanie się odpowiednio dużo. Spodziewamy się zobaczyć na detektorze dwa paski miejsc gdzie uderzyły cząstki, ale ku powszechnemu zdziwieniu tworzą one wzór interferencyjny, taki jak przy emisji wielu cząstek naraz!
Trochę zbija z tropu mając na uwadze wszelkie doświadczenia z życia codziennego. Eksperyment dowodzi, że każda cząstka musiała przedostać się przez dwie dziury w kartce by móc interferować ze sobą. Brzmi to niedorzecznie, ale tylko w świetle tradycyjnej fizyki. Według mechaniki kwantowej cząstkę można określić jako ciało, albo falę - przy czym fala jest odbiciem prawdopodobieństwa wystąpienia cząstki w danym miejscu przestrzeni. Wydawało by się, że ruch falowy dotyczy więcej jak jednej cząstki, ale ten eksperyment dowodzi, że w jakiś sposób elektron, a raczej jego fala prawdopodobieństwa przedostaje się obiema drogami jednocześnie i interferuje ze sobą tworząc wzór na detektorze.
W rzeczywistości ta fala prawdopodobieństwa "rozlewa" się na cały obszar, w którym elektron mógłby się znaleźć, ale tylko w niektórych miejscach jej wartość jest większa od zera.
Ten przykład wywrócił moje postrzeganie świata do góry nogami, gdy go pierwszy raz poznałem.
Trudno zaakceptować inny obraz cząstek, które w świetle klasycznej fizyki jest rozsądny - cząstka elementarna jest maleńką kulką, która musi mieć swoje miejsce w przestrzeni.
Mechanika kwantowa obejmuje jeszcze więcej niesamowitych fenomenów, w tym natychmiastowe połączenie dwóch cząstek na nieograniczoną odległość (kwantowe splątanie), albo różne rozwinięcia powyższego eksperymentu, mam nadzieję, że rozwinie się tu jakaś ciekawa dyskusja. Of kors poprawcie mnie jeśli walnąłem jakąś naukową herezję.