12 Interesujących Ciekawostek o Fizyce Kwantowej

Słowo „kwant” oznacza „najdrobniejszą możliwą jednostkę bytu fizycznego”. Fizyka kwantowa jest gałęzią nauki, która zajmuje się najmniejszymi rzeczami we wszechświecie. Dziedzina fizyki kwantowej powstała pod koniec XIX i na początku XX wieku z serii eksperymentalnych obserwacji atomów, które nie miały sensu w kontekście fizyki klasycznej. Wśród podstawowych odkryć było uświadomienie sobie, że o materii i energii można myśleć jako o kwantach.

Na przykład, światło o stałej częstotliwości dostarcza energii w kwantach zwanych fotonami. Każdy foton o tej częstotliwości będzie miał taką samą ilość energii, a energii tej nie można rozłożyć na mniejsze jednostki. W rzeczywistości słowo „kwant” ma łacińskie korzenie i oznacza „ile”.

Fizyka kwantowa to badanie materii i energii na najbardziej fundamentalnym poziomie. Jej celem jest odkrycie właściwości i zachowań samych elementów składowych natury. Poznajmy interesujące ciekawostki o fizyce kwantowej:

1. Wyobraź sobie pustą przestrzeń. Fizyka kwantowa mówi, że nie jest ona pusta. Jest raczej pełna energii i wypełniona materią i antymaterią. W niej przypadkowe cząstki pojawiają się i znikają dzięki tej energii. Cząstki pojawiają się, dotykają, wybuchają i znikają w ciągu miliardowej części sekundy. Jest to teoria fizyki kwantowej.

2. Słońce jest gorące nie dlatego, że płonie na nim ogromny ogień. Jest raczej gorące z powodu swojej ogromnej wagi. W związku z tym jego przyciąganie grawitacyjne jest ogromne, co powoduje ogromne ciśnienie i fuzję jądrową. Tak więc, gdyby Słońce było np. zrobione z jabłek lub biszkoptów o tak kolosalnej wadze, nadal byłoby tak samo gorące.

3. Zasada niepewności: jest to pojęcie matematyczne, które reprezentuje kompromis pomiędzy uzupełniającymi się punktami widzenia. W fizyce oznacza to, że dwie właściwości obiektu, takie jak jego pozycja i prędkość, nie mogą być jednocześnie dokładnie znane. Jeśli na przykład precyzyjnie zmierzymy pozycję elektronu, będziemy ograniczeni w tym, jak dokładnie możemy poznać jego prędkość.

4. Radar wojskowy działa poprzez odbijanie fal radiowych od obiektów na niebie. Ale te sygnały mogą być mylone w obszarach w pobliżu północnego bieguna magnetycznego Ziemi. Samoloty tylu stealth są wykonane tak, aby uniemożliwić promieniowaniu radarowemu powrót do jego źródła. W 2018 roku Kanada pracowała nad radarem kwantowym, który splątałby fotony światła z innymi fotonami daleko na stacji radarowej i odbił te fotony od nadlatujących samolotów.

5. Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za udowodnienie, że energia jest skwantowana. Dla porównania: buty w sklepie można kupić tylko w wielokrotnościach o jeden rozmiar, tak energia występuje tylko w wielokrotnościach tego samego „kwantu” – stąd nazwa fizyka kwantowa.

6. Coś może być zarówno cząsteczką jak i falą. J. J. Thomson otrzymał Nagrodę Nobla w 1906 roku za odkrycie, że elektrony są cząstkami, a jego syn George otrzymał Nagrodę Nobla w 1937 roku za wykazanie, że elektrony są falami. Kto miał rację? Odpowiedź brzmi: obaj. Ten tak zwany dualizm, czyli fala-cząstka jest podstawą fizyki kwantowej. Dotyczy on zarówno światła, jak i elektronów. Czasami warto myśleć o świetle jako o fali elektromagnetycznej, ale w innych przypadkach bardziej przydatne jest wyobrażenie go sobie w postaci cząstek zwanych fotonami.

7. Na poziomie makroskopowym Wszechświat wydaje się być całkowicie klasyczny. Grawitacja może być opisana przez krzywiznę przestrzeni zgodnie z zasadami ogólnej względności. Efekty elektromagnetyczne są doskonale opisane przez równania Maxwella. Dopiero w ultra-małych skalach efekty kwantowe zaczynają wchodzić w grę, ujawniając się w takich cechach jak przejścia atomowe, linie absorpcyjne i emisyjne, polaryzacja światła i dwójłomność próżni.

8. Biegacz może ważyć więcej na torze niż na wadze, zgodnie z fizyką kwantową. Obiekt podróżujący z prędkością światła nie mógłby poruszać się znacznie szybciej mając dodatkową energię, ale potrzebowałby więcej energii, aby wspierać rosnącą masę obiektu.

9. Teleskop może skupić fale świetlne z odległych gwiazd, a także działa jak gigantyczne wiadro do zbierania fotonów. Oznacza to również, że światło może wywierać ciśnienie, gdy fotony uderzają w obiekt. Jest to coś, czego już używamy do napędzania statków kosmicznych za pomocą żagli słonecznych, i może być możliwe wykorzystanie tego w celu manewrowania niebezpieczną asteroidą z kursu kolizyjnego z Ziemią.

1. Teoria wielu światów lub multiwersum. Zakłada ona, że gdy tylko istnieje możliwość, że jakikolwiek obiekt może znajdować się w dowolnym stanie, wszechświat tego obiektu przekształca się w serię równoległych wszechświatów równych liczbie możliwych stanów, w których ten obiekt może istnieć, przy czym każdy wszechświat zawiera unikalny pojedynczy możliwy stan tego obiektu. Co więcej, istnieje mechanizm interakcji między tymi wszechświatami, który w jakiś sposób pozwala, aby wszystkie stany były dostępne w jakiś sposób i aby wszystkie możliwe stany były dotknięte w jakiś sposób. Stephen Hawking należy do naukowców, którzy opowiedzieli się za teorią wielu światów.

11. Najszybciej poruszającą się jednostką jest światło. Jednak splątanie kwantowe sugeruje, że małe cząstki oddziałują ze sobą w tempie szybszym niż prędkość światła, tak że nie można ich opisać niezależnie od siebie. Jest to teoria splątania kwantowego. Inaczej mówiąc: Jest to zjawisko, które występuje, gdy dwa lub więcej obiektów są połączone w taki sposób, że można o nich myśleć jako o jednym układzie, nawet jeśli są bardzo daleko od siebie. Stan jednego obiektu w tym systemie nie może być w pełni opisany bez informacji o stanie drugiego obiektu. Podobnie, poznanie informacji o jednym obiekcie automatycznie mówi coś o drugim i odwrotnie.

12. Jeśli ekstrapolujemy wstecz do najwcześniejszych etapów Wszechświata, każda istotna interakcja, która miała miejsce, była czysto kwantowa. Pojedyncze cząstki i pola kwantowe oddziaływały w krótkich skalach i przy ogromnych energiach, co doprowadziło do powstania wielu obserwowalnych dziś zjawisk, na których odcisnęło się kwantowe dziedzictwo. W szczególności największe struktury galaktyczne również zawdzięczają swoje pochodzenie fizyce kwantowej.