Fizyka kwantowa jest obecna w życiu codziennym

Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Kwantowy Internet, kwantowa teleportacja, kwantowy procesor, kwantowy komputer, nawet kolejna część przygód „Ant-Mana” będzie związana z „wymiarem kwantowym”. Wydaje się, że „kwantowy” to ulubiony przymiotnik XXI wieku. Skąd to wynika? Jakie tajemnice skrywa kwantowy świat?

Mechanika kwantowa opisuje świat mikroskopowy i obiekty o małych masach i rozmiarach, nie tylko atomy, ale i obiekty mniejsze – cząstki elementarne. Bez fizyki kwantowej nie można wyjaśnić wielu zjawisk makroskopowych, np. nadprzewodnictwa czy nadciekłości. Bez niej nie byłoby systemu GPS. Czy tego chcemy, czy nie, fizyka kwantowa nas otacza – to sposób opisu nie „innej” rzeczywistości, a tej, którą znamy, tyle że w sposób pełniejszy.

Oto siedem ciekawostek o kwantach, które powinien znać nawet laik. Wybaczcie, wszyscy fizycy kwantowi, których w naszym kraju na pęczki, jeżeli coś zabrzmi dla Was zbyt banalnie.

Dualizm korpuskularno-falowy

Ciekawostka historyczna: w 1906 r. J.J. Thomson otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie, że elektrony są cząstkami. 31 lat później, jego syn George, otrzymał Nagrodę Nobla za wykazanie, że elektrony są falami. Jak to możliwe? Okazuje się, że oba warianty są poprawne, co znamy jako dualizm korpuskularno-falowy. Czasami można myśleć o świetle jako o fali elektromagnetycznej, a niektórych jego zachowań nie da się wyjaśnić w inny sposób niż zakładając, że budują je cząstki (fotony).

Czytaj też: Tetraneutron, czyli miniaturowa gwiazda neutronowa. Coraz bliżej potwierdzenia istnienia nieuchwytnej cząstki

Superpozycja

Z dualizmem korpuskularno-falowym wiąże się zjawisko superpozycji. Oznacza ono, że dany obiekt może istnieć w wielu stanach jednocześnie – może być zarówno „tu”, jak i „tam”, a bez przeprowadzenia eksperymentu, nie dowiemy się, gdzie jest faktycznie. To nie żadne czary, a kwestia prawdopodobieństwa, na którym fizyka kwantowa się opiera. Możemy tylko ocenić, gdzie dany obiekt najprawdopodobniej się znajduje – ujęto to w funkcji falowej. Przeprowadzenie obserwacji niszczy funkcję falową, a więc i superpozycję, „zmuszając” obiekt do przyjęcia tylko jednego z możliwych stanów. Właśnie na tym opiera się słynny kot Schrödingera.

Multiwersum

Koncepcja, że obserwacja zmienia funkcję falową i „wymusza” przyjęcie konkretnej pozycji to tzw. kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej. Ale co jeżeli wybór w ogóle nie istnieje? Inna teoria mówi, że gdy dokonujemy pomiaru, rzeczywistość tworzy dwie kopie samej siebie: jedną, w której wychodzi wynik A i drugą, w której otrzymujemy B. W ten sposób dochodzi do powstania alternatywnego wszechświata, których jest nieskończona ilość, podobnie jak jest nieskończona ilość możliwych wyników. Ta zależność stanowi podstawę koncepcji multiwersum, która opisuje naszą rzeczywistość jako jedną z wielu w nieskończonej przestrzeni.

Czytaj też: Czy istnieją wszechświaty równoległe?

Wielkoskalowe struktury Wszechświata

Najbardziej prawdopodobną (i uznawaną przez największe grono astronomów) wizją powstania Wszechświata jest teoria Wielkiego Wybuchu. Zmodyfikowano ją w latach 80. ubiegłego wieku, aby uwzględnić hipotezę inflacji kosmologicznej. W zaledwie jedną trylionową część trylionowej części sekundy kosmos urósł z rozmiarów mniejszych niż atom do rozmiarów grejpfruta. Inflacja spowodowała gwałtowny wzrost Wszechświata, zanim fluktuacje kwantowe zaniknęły. Energia skoncentrowała się w konkretnych obszarach – jak wokół nasion – tworząc gromady galaktyk i ciała niebieskie, które teraz obserwujemy.

Splątanie kwantowe

Zgodnie z wiedzą szkolną, najszybciej poruszającym się obiektem we Wszechświecie jest światło. Jednak zjawisko splątania kwantowego sugeruje, że cząstki elementarne oddziałują ze sobą szybciej niż prędkość światła – do tego stopnia, że nie można ich opisać niezależnie od siebie. Albert Einstein uważał to za bardzo dziwne i splątanie kwantowe nazwał „upiornym działaniem na odległość”. Splątanie kwantowe może wyjaśnić działanie tuneli czasoprzestrzennych, które teoretycznie mogą prowadzić do odległych rejonów Wszechświata (lub innego wszechświata – zgodnie z teorią multiwersum).

Komputery kwantowe nie zastąpią klasycznych

Komputery kwantowe nigdy nie zastąpią tradycyjnych maszyn. To dlatego, że nie nadają się do prostych zadań, jak wysyłanie e-maili czy surfowanie po Internecie. Komputery kwantowe przetwarzają te same operacje, które mają do wykonania superkomputery, ale robią to znacznie szybciej. Dlaczego? Dzięki wspomnianemu już zjawisku superpozycji, komputery kwantowe mogą przetwarzać wiele operacji w tym samym czasie.

Czytaj też: Druga zasada termodynamiki wzmocniona. Komputery kwantowe coraz bliżej?

Einstein nie był „wrogiem” fizyki kwantowej

Albert Einstein często jest przedstawiany jako wielki przeciwnik fizyki kwantowej, a to nieporozumienie, bo jego odkrycia dały podstawy późniejszej mechanice kwantowej. W 1905 r. Einstein napisał artykuł „On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”, oparty na pracy Maxa Plancka, w którym zaproponował, że światło składa się z małych, indywidualnych i skwantyfikowanych ciał, zwanych fotonami. „Wrogość” do fizyki kwantowej prawdopodobnie jest konsekwencją jego słynnego powiedzenia: „Bóg nie gra w kości ze Wszechświatem”. Einstein miał je wypowiedzieć w debacie z Nielsem Bohrem, ponieważ nie akceptował koncepcji nielokalności. Einstein w pełni doceniał znaczenie fizyki kwantowej, miał tylko kilka problemów z niektórymi jej implikacjami.