Căutare

Enigma cuantica

"Universul exista pentru ca suntem constienti de el"

Introducere

Cunoscută sub numele de mecanică cuantică, această ramură a fizicii moderne încearcă să facă lumină în microuniversul particulelor elementare, construind teorii care să explice comportamentul electronilor şi al celorlalte particule elementare.
Cunoscută sub numele de mecanică cuantică, această ramură a fizicii moderne încearcă să desluşească legile lumii subatomice, construind teorii care să explice comportamentul electronilor şi al celorlalte constituente fundamentale ale materiei. Mecanica cuantică reprezintă mai mult decât un set de formule matematice foarte complexe cu care am putea calcula, de exemplu, poziţia electronilor. Teoria cuantică a avut un impact major asupra modului în care înţelegem realitatea. Universul subatomic are mecanisme care scapă în parte înţelegerii umane, iar când se supune totuşi teoriilor fizicienilor, o face într-un mod contraintuitiv, paradoxal, ce îi lasă perplecşi pe filozofii moderni ai ştiinţei.
Un exemplu de obiect macroscopic este o minge de fotbal. Ori de câte ori un jucător de fotbal loveşte cu piciorul o minge, cea mai potrivită modalitate de a descrie traiectoria balonului este prin intermediul a ceea ce numim astăzi mecanică clasică, cu ajutorul căreia putem prezice poziţia şi viteza mingii la orice moment de timp pe baza unor date iniţiale. Este o abordare care ne este familiară pentru că zi de zi experimentăm regulile evidente ale universului ce ascultă de mecanica clasică. Chiar şi mişcarea planetelor şi sateliţilor din sistemul nostru solar pot fi aproximate folosindu-ne de această ramură a fizicii dezvoltată aproape în întregime de probabil cel mai mare fizician, sir Isaac Newton.Atunci când încercăm să aplicăm această abordare, deja devenită clasică, obiectelor microscopice, adică atunci când dorim să explicăm legile mecanicii newtoniene mecanismelor atomice, eşecul vechilor teorii este total. Am putea privi electronul ca fiind o minge de fotbal sau de rugbi de dimensiuni foarte mici şi atunci ar trebui ca mişcarea sa să urmeze legile descoperite acum câteva sute de ani de Newton. Experimentele efectuate în acest domeniu începând cu finele secolului al IXX-lea au arătat însă că lumea particulelor subatomice nu respectă aceste reguli, astfel că a fost nevoie de o altă abordare teoretică.

Aşa s-a născut fizica cuantică. Era la începuturile secolului XX, când fizicieni precum Max Planck, Albert Einstein şi Niels Bohr au făcut primii paşi spre a explica această lume ciudată. Teoriile dezvoltate de-a lungul a câtorva decenii, îndeosebi în prima jumătate a secolului XX, de minţi strălucite precum Niels Bohr, Ernest Rutherford, Paul Dirac, Louis de Broglie, Werner Heisenberg sau Wolfgang Pauli, au explicat cu mare succes o gamă largă de fenomene, precum mişcarea electronilor în anumite materiale, de exemplu în cadrul microcipurilor care reprezintă baza computerelor moderne. Mecanica cuantică este folosită şi pentru a înţelege fenomenul de superconductivitate, descompunerea radioactivă, funcţionarea laserului şi multe altele.

Un mare număr de oameni de ştiinţă folosesc astăzi teoriile mecanicii cuantice pentru a oferi o şi mai exactă înțelegere a comportamentului universului la nivel microscopic. Ideile de bază ale teoriei sunt contraintuitive şi vin în conflict cu felul în care înţelegem realitatea care ne înconjoară. Din această cauză au apărut şi se iscă în continuare în sânul comunităţii ştiinţifice internaţionale veritabile dezbateri filozofice privind înţelesurile ascunse ale acestor teorii şi repercursiunile pe care validitatea lor le aduce asupra felului în care înţelegem şi ne raportăm la noţiuni precum realitate sau conştiinţă.

Articol reprezentativ

Principiul lui Heisenberg

Principiul incertitudinii, al lui Heisenberg, numit si „principiul nedeterminarii”, specific mecanicii cuantice, afirma ca, pentru o particula apartinand structurii atomice, nu se poate cunoaste simultan si pozitia si viteza sa, existand posibilitatea de a se stabili cu precizie pozitia, ramanand incerta viteza, ori invers. De exemplu, daca un foton (particula elementara de radiatie luminoasa) interactioneaza cu un electron, primul va modifica traiectoria celui de-al doilea, dar si propria viteza si traiectorie. Prin urmare, masuratorile aplicate particulelor subatomice nu pot exprima decat probabilitati. Principiul a fost formulat in 1927, de catre fizicianul german Werner Karl Heisenberg, laureat, in 1932, al Premiului Nobel, pentru contributiile la fundamentarea mecanicii cuantice. In privinta termenilor uzitati, trebuie stiut ca denumirea corecta, pentru care a optat chiar Heisenberg, era “Teoria nederminarii”, dar, o traducere din germana in engleza, de la vremea cand fizicianul german incerca sa isi popularizeze opinia stiintifica, a folosit cuvantul “incertitudine”, in loc de “nedeterminare”, iar in loc de “principiu”, cuvantul corect ar fi fost “teorie”, deoarece a fost demonstrat matematic, si orice principiu verificat printr-o ecuatie matematica devine teorie. Se pare insa ca impactul sintagmei traduse incorect ca “principiul incertitudinii” a fost mai mare, astfel incat, astazi, toti fizicienii accepta formularea eronata.

Mecanica cuantica are ca obiect de studiu descrierea fenomenelor care guverneaza sistemele fizice, la nivel atomic si subatomic. Unul dintre conceptele de baza ale fizicii cuantice este dualitatea unda-corpuscul (unda-particula), potrivit careia orice element al universului atomic prezinta, simultan, proprietati de unda si de particula. Obiectul cuantic, avand o anume extensie in spatiu si o anume durata, nu poate fi reprezentat, asadar, printr-un ansamblu de valori scalare (pozitie, viteza, masurate, cu exactitate, la un moment dat), ci printr-o functie care sa descrie distributia acestora.

Principiul incertitudinii, al lui Heisenberg, se exprima prin inegalitatea Δ E · Δt  ≥ ħ/2 (in care Δ E reprezinta energia masurata pe intervalul de timp Δ t, iar ħ (pronuntat „h-bar”) este Constanta lui Planck (energie inmultita cu timp), utilizata, in fizica, pentru a descrie dimensiunile cuantelor. Cuanta este unitatea fundamentala a campurilor fizice, reprezentand cantitatea minima de energie radianta, a carei valoare depinde de frecventa radiatiei, teoria cuantelor avand in vedere fenomenele fizice care au loc la scara atomica si subatomica. Pe la 1900, cand fizicianul german Max Planck a facut supozitia (de care nici el nu era prea convins) ca radiatia electromagnetica nu poate fi emisa decat sub forma de „pachete”, de dimensiuni bine definite, pe care le-a numit cuante, nimeni nu a acordat acestui concept vreo importanta deosebita. Abia cativa ani mai tarziu, Albert Einstein s-a folosit de ideea lui Planck, pentru a demonstra efectul fotoelectric. In 1911, Ernest Rutherford a stabilit ca atomul are un nucleu pozitiv, in jurul caruia se rotesc electroni, postuland si existenta neutronilor (particule neutre din punct de vedere electric), iar in 1913, Niels Bohr, fizician danez, a reusit sa calculeze cuantele, pornind de la modelul atomului de hidrogen, care are un singur electron. Orbitei pe care se misca un electron dat, Borh i-a atribuit un numar cuantic. Cand un gaz pur este incalzit, spectrul sau nu este continuu, ci un ansamblu de linii discontinue, iar radiatiile, sustinea fizicianul danez, sunt emise doar atunci cand electronul se muta de pe o orbita cu un numar cuantic mai mare, pe o orbita cu un numar cuantic mai mic. Deoarece electronul se deplasa prin „salturi cuantice”, spectrul era discontinuu. Contributiile ulterioare ale altor fizicieni au adaugat si alte numere cuantice, austriacul Wolfgang Pauli introducand, in 1927, conceptul de „spin”, o proprietate cuantica intrinseca asociata fiecarei particule (asa cum sunt si masa si incarcatura electrica), sustinand ca tot ce trebuie stiut despre un electron poate fi redus la patru numere cuantice (care descriu starea specifica in care se gaseste electronul).Principiul incertitudinii, al lui Heisenberg, formulat in acelasi an (1927), afirma ca determinarea simultana a pozitiei si a momentului unui electron este imposibila. Mai tarziu, acest principiu a fost extins si la alte particule din structura atomului.

In a doua jumatate a secolului al XX-lea, dezvoltarea electrodinamicii cuantice a dus la dezvoltarea si a altor metode de calcul legate de comportamentul particulelor subatomice.

Principiul incertitudinii, al lui Heisenberg, subliniaza, asadar, imposibilitatea masurarii exacte a pozitiei, vitezei si energiei unei particule, instrumentul insusi al masurarii actionand asupra particulei, modificand sistemul caruia ii apartine. Extinzand aceasta constatare dincolo de nivelul subatomic, intr-un sens larg, filozofic, s-ar putea spune ca „nedeterminarea”/”incertitudinea” nu vizeaza ininteligibilul, ci „imprevizibilul”, ceea ce scapa interactiunilor si conditionarilor repetitive, in limite exact determinate, aspect care nu exclude cauzalitatea, dar asupra careia cunoasterea umana trebuie sa mai zaboveasca, pentru a ajunge la o intelegere viabila a Universului si a legilor care il guverneaza.

Experimentul cu 2 fante cu electroni

Avem un electron şi două fante. Proiectăm electronul către cele două fante. Acesta poate alege pe oricare dintre cele două. Ce va face? Electronul este iniţial o particulă, devine undă, trece prin ambele fante, interferează cu el însuşi, iar apoi loveşte ecranul sub forma unei particule. Ciudat, nu? Citiţi articolul pentru detalii (video inclus).

Vom examina în continuare un fenomen imposibil de explicat cu ajutorul conceptelor fizicii clasice şi care reprezintă unul dintre pilonii centrali ai mecanicii cuantice – faimosul experiment realizat iniţial de Thomas Young – experimentul cu două fante.

 

Pentru a înţelege acest experiment trebuie să vedem mai întâi cum se comportă materia obişnuită, de pildă câteva mici bile. Dacă vom arunca bile de mici dimensiuni spre un perete prevăzut cu o singură fantă, vom observa cum ia naştere un model – o bandă îngustă – pe ecranul din spatele peretelui, în zona corespunzătoare locaţiei fantei. Dacă adăugăm şi o a doua fantă ne aşteptăm să apară pe ecran două fâşii exact în spatele fantelor.

Acum să vedem ce se întâmplă în cazul undelor. Acestea ajung în dreptul fantei şi suferă fenomenul de difracţie, lovind ecranul cu intensitate maximă în zona din spatele fantei. Linia luminoasă de pe ecranul din spatele peretelui simbolizează această intensitate. Este similară liniei căreia micile bile i-au dat naştere pe ecran.

Experimentul lui Schrodinger

Bla bla bla

Fizica clasica vs cuantica

Fizica clasică se ocupă, în general, cu materia și energia la scară normală de observație, în timp ce o mare parte a fizicii moderne se ocupă de comportamentul materiei și energiei în condiții extreme sau pe o scară foarte mare sau foarte mică. De exemplu, pentru fizica atomică și nucleară contează scara cea mai mică la care elementele chimice pot fi identificate. Fizica particulelor elementare are o scară chiar mai mică, deoarece se referă la unitățile de bază ale materiei; această ramură a fizicii este, de asemenea, cunoscută sub numele de fizica energiilor înalte, din cauza energiilor extrem de ridicate necesare pentru a produce mai multe tipuri de particule, în acceleratoare de particule mari. La această scară, de obicei, noțiunile obișnuite de spațiu, timp, materie și energie nu mai sunt valabile.

Cele două teorii principale ale fizicii moderne prezintă o imagine diferită a conceptelor de spațiu, timp, și materie, faţă de fizica clasică. Teoria cuantică studiază natura  mai degrabă discretă decât continuă a multor fenomene la nivel atomic și subatomic, și aspectele complementare ale particulelor și undelor în descrierea unor astfel de fenomene. Teoria relativității studiază descrierea fenomenelor care au loc într-un cadru de referință, care este în mișcare faţă de un observator. Teoria specială a relativității studiază mișcarea relativ uniformă în linie dreaptă, iar teoria generală a relativității mișcarea accelerată și legătura sa cu gravitația. Atât teoria cuantică cât și teoria relativității îşi găsesc aplicații în toate domeniile fizicii moderne.

modernphysicsfields
Diferenta dintre mecanica cuantica si cea clasica

În timp ce fizica are ca scop descoperirea legilor universale, teoriile sale se află în domenii explicite de aplicabilitate. În linii mari, legile fizicii clasice descriu cu acuratețe sisteme a căror scară principală a dimensiunilor este mai mare decât scara atomică, și ale căror mișcări sunt mult mai lente decât viteza luminii. În afara acestui domeniu, observațiile nu se potrivesc cu previziunile. Albert Einstein a contribuit la cadrul relativității speciale, care a înlocuit noțiunile de timp absolut și spațiu cu cea de spațiu-timp, și a permis o descriere precisă a sistemelor ale căror componente au viteze apropiate de viteza luminii. Max Planck, Erwin Schrödinger, şi alţii, au introdus mecanica cuantică, o noțiune probabilistică pentru particule și interacțiuni care a permis o descriere exactă la scară atomică și subatomică. Mai târziu, teoria câmpului cuantic a unificat mecanica cuantică și teoria relativității restrânse. Relativitatea generală a permis un spațiu-timp dinamic, curbat, cu care sistemele extrem de masive și structura universului pe scară largă pot fi bine descrise. Relativitatea generală nu a fost încă unificată cu alte descrieri fundamentale; mai multe teorii candidate ale gravitației cuantice sunt în curs de dezvoltate.

 

Blog la WordPress.com. Tema: Baskerville de Anders Noren.

SUS ↑