Vad är kvantmekanik

Kvantmekanik, eller kvantteori, är en teori som dess egna skapare inte helt förstod, men som har visat sig vara den enda som kan förklara materiens beteende i den mikroskopiska världen.

I hjärtat av materien finns en enorm värld, som består av miljarder och miljarder partiklar, som slipper undan våra sinnen och vår intuition. En värld där de vanliga fysiska lagarna inte gäller, utan de mer komplicerade och "mystiska" kvantmekanikens teorier, en så paradoxal teori att förvåna forskarna själva som uppfann den. "Ingen förstår verkligen det," sade Richard Feynman, en av de ljusaste fysikerna i hans generation 1965.

Charmig. Ändå fungerar denna teori, eftersom den beskriver världen av atomer och molekyler med oklanderlig precision. Och det har många applikationer, från lasrar till magnetisk resonansavbildning. Det misstänks faktiskt att det är några fenomen relaterade till den, till exempel tunneleffekten, som gör fotosyntesen och därför livet möjligt.

Inte bara det, kvantmekanik, för dess nästan "magiska" egenskaper, har alltid fascinerat filosofer och forskare. Och idag går det in i vår "dagliga" kultur, också inspirerande böcker, filmer och konstverk. Men vad är egentligen denna teori? Och varför är det så viktigt? Låt oss gå i ordning.

Mirakelpartiklar. Vågor som uppför sig som partiklar, partiklar som korsar barriärer som spöken eller som kommunicerar med varandra på ett "telepatiskt" sätt ... Detta är den konstiga världen som forskare mötte när de upptäckte kvantmekanik.

En av de viktigaste kännetecknen för denna teori är kvantisering . Det är det faktum att i den mikroskopiska världen kan fysiska mängder som energi inte bytas ut "kontinuerligt", som ett flöde av kranvatten som kan doseras efter behov, men genom "paket" som kallas "hur många" ... som vatten i glas eller flaskor med en förutbestämd volym. I kraft av denna egenskap består ljus av kroppar av energi som kallas "fotoner"; och till och med atomer kan absorbera denna energi endast i paket: en atom kan till exempel absorbera eller avge 1 eller 2 eller 3 eller fler fotoner, men inte 2,7 fotoner eller en halv foton.

Det här är vad som händer i den fotoelektriska effekten, enligt vilken en metall som träffats av rätt ljus producerar elektricitet: detta fenomen, som upptäcktes i slutet av 1800-talet och förklarades 1905 av Einstein, är grunden för driften av moderna fotovoltaiska paneler.

Våg eller partikel? Kvantmekanikens andra "konstighet" är det faktum att - liksom Giano Bifronte - alla partiklar har en dubbel karaktär: "I vissa experiment uppför de sig som kroppar, i andra som vågor" förklarar Giancarlo Ghirardi, emeritus professor i fysik vid universitetet av Trieste. «Ett experiment som visar vågorna hos elektroner är dubbelslitsens karaktär: en känslig skärm placeras framför en dubbelspalt och det observeras att elektronema imponerar plattan som bildar interferensfransar, precis som ljuset gör (se ritning här under). Andra experiment visar att elektroner är partiklar ".

Oförutsägbar. Klassisk fysik är "förutsägbar": det gör att du kan beräkna banan för en projektil eller en planet exakt. I kvantmekanik, desto mer exakt är en partikelns position känd, desto mer osäker blir dess hastighet (och vice versa).

Osäkerhetsprincipen som formulerades 1927 av den tyska fysikern Werner Heisenberg säger det. Så om vi vill beskriva beteendet hos en elektron i en atom, kan vi bara säga att den är belägen i ett moln runt kärnan, och kvantmekanik indikerar sannolikheten att, genom att göra en mätning, är elektronen vid en viss punkt . Innan mätningen beskrivs elektronstillståndet med uppsättningen av alla möjliga resultat: vi talar därför om superposition av kvanttillstånd. Vid mätningens ögonblick "kollapsar" elektroniken i ett enda tillstånd. Denna princip har en viktig konceptuell aspekt: ​​i en viss mening, med sina mätinstrument, ingriper forskare i skapandet av den verklighet de studerar.

Som spöken. Ett annat bisarr kvantfenomen är tunneleffekten , det vill säga det faktum att partiklar kan övervinna en barriär som ett spöke passerar genom en vägg. "Så här förklaras förfallet av radioaktiva ämnen", säger Ghirardi. "Strålningen som släpps ut av dessa material består i själva verket av partiklar som övervinner en energibarriär inuti kärnorna."

Ljusa vävar. Allt detta är redan konstigt nog. Men det mest nyfikna fenomenet är förvirring ("sammanflätning"). Föreställ dig att ta två fotoner i en "superposition av tillstånd" - vi kan tänka på dem som mynt som roterar oändligt, visar båda ansikten (huvud eller kors) - och utsätter dem för intrassling och sedan föra dem till motsatta sidor av universum.

Enligt kvantmekanik, om vi gör en mätning på en av de två, och till exempel får ett huvud, upphör det andra myntet också direkt att vara i obestämd tillstånd: om vi mäter det (efter en sekund eller efter ett sekel) är vi säkra att resultatet blir huvudet. De två partiklarna är som i ... telepatisk kontakt. Absurd? Nej, förvirring!

Som Star Trek. Denna fantastiska funktion kan användas för att göra kvantteleportering (se galleri nedan). "Anta att vi vill överföra en foton identifierad genom dess polariseringstillstånd från punkt A till punkt B," säger Ghirardi. "För att göra detta, förutom fotonen som ska teleporteras, behöver du två sammankopplade fotoner, en i A och den andra i B. Sedan gör du att fotonen som ska teleporteras interagerar med den första intrasslade fotonen (den i A) och kommunicerar med observatören i B resultatet av operationen, och därigenom visas han hur han hanterar den andra intrasslade fotonen för att erhålla en identisk kopia av startfoton ".

I praktiken överförs informationen om startfotonen till B tack vare förmedling av de sammanflätade fotonerna: i själva verket är det en överföring av information, snarare än en överföring av materia som Star Trek.

Det är därför teleportering är av särskilt intresse för forskare som studerar framtidens kvantdatorer. Dator, det vill säga där qubits bearbetas istället för "bitarna" (sekvenserna av "0" och "1") för traditionell datoranvändning: fördelen är att qubitsna låter dig utföra på kort tid, "parallellt", operationer som traditionella datorer skulle ta år. Således är antalet beräkningsvägar som kan genomföras samtidigt med ett antal "n" av qubits lika med 2N, det vill säga 2x2x2 ... x2, n gånger: med mindre än 300 qubits skulle antalet partiklar i hela universum överskridas . Hittills kan emellertid endast några få bitar manipuleras och med stora svårigheter: den "magiska" världen av kvantdatorer är allt att utforska.

På senare tid har två fysiker från University of Queensland (Australien) till och med designat "temporär" teleportering, tillämpa förfiltring till tid snarare än rymd, alltid i syfte att göra komplexa beräkningar möjliga. Men om det fungerade, skulle det vara det första verkliga exemplet på en tidsmaskin, även om den är lite annorlunda från hur science fiction alltid har föreställt sig det.

Kvanten i filosofi och kultur. Kvantmekanik är emellertid inte bara konstig och komplicerad. Det tvingar oss också att gå igenom de mentala mönstren vi är vana vid, testa våra övertygelser och erbjuda nya svar på de frågor som filosofer har ställt i årtusenden. Här är några exempel.

ÄR DESTINISKT FORSÄTTIGT?

Hur kan vi till exempel glömma Maradonas straff? Banorna imponerade på bollen var ett beundransvärt möte mellan sport och fysik. Men om en hypotetisk kvant "Pibe de oro" hittar en elektron mellan sina fötter kommer den inte att kunna sparka den med samma precision. Den "bollen" skulle i själva verket inte följa den deterministiska skott-mål-logiken.

Tack vare principen om superpositionen av stater kan det faktiskt vara var som helst på fältet och sprida sig som en dimma på flera platser samtidigt. Och först efter att ha observerats skulle det äntligen "kollapsa" vid en specifik punkt, kanske precis på nätet ... kort sagt, öde är inte förutsebara.

Tvärtom motsatsen till vad de påstod under det femte århundradet. till. C. grekerna Leucippus och Democritus, enligt vilka världen var sammansatt av atomer som rör sig i ett vakuum på ett förutsägbart sätt. Även om ett sekel senare antog en annan grek, Epicurus, att bland atomerna fanns slumpmässiga kollisioner med oförutsägbara konsekvenser. Klassisk fysik på 1800-talet tycktes bevisa de två första rättigheterna. Kvantmekanik, å andra sidan, om än på helt olika baser, är närmare Epicurus tanke.

GÖR UNIVERSET OAVhängigt FRÅN OSS?

Esse est percipi: för att existera måste saker och ting uppfattas. Den brittiska filosofen George Berkeley stödde den på 1700-talet, enligt vilken en boll eller ett träd inte existerar i sig, oberoende av oss: vad vi uppfattar är de sensoriska stimuli som kommer direkt från Gud. Och den tyska filosofen Immanuel Kant, alltid i 700 upprepade han att man inte kan känna världen "som den är i sig själv" (definierad av honom som en noumenon), utan bara "vad som visas". Något liknande, två århundraden senare, säger kvantmekanik: för att bestämma positionen för en partikel, till exempel måste du belysa den ... och sedan sporrar partikeln, som träffas av ljus, bort. Vi vet var det är, men inte var det kommer att vara efter ett ögonblick.

För att iaktta verkligheten måste man kort sagt "störa" den: "Enligt tolkningen av Köpenhamn" förklarar Giulio Giorello, professor i vetenskapsfilosofi vid State University of Milan "beror kvanthändelser på närvaron av den observationsapparat som måste att mäta".

Einstein kunde inte smälta denna aspekt av teorin: han var faktiskt övertygad om att verkligheten var väl bestämd och oberoende av observatören. Men idag är experter för Köpenhamns tolkning.

Vad händer om effekten föregick orsaken?

En av pelarna i klassisk vetenskap är regeln att i den värld vi lever i följer varje orsak nödvändigtvis en effekt: om jag kastar en sten mot ett fönster bryter jag den, om jag rör vid elden bränner jag mig själv. På sjuttonhundratalet ifrågasatte den skotska filosofen David Hume denna princip: även om två händelser följer varandra varje dag, borde vi inte betrakta denna länk som en logisk konsekvens, eftersom det kan vara en vanlig förening av våra idéer.

Traditionell vetenskap har aldrig ifrågasatt principen om orsak och verkan. Kvantmekanik verkar bryta mot den, men det är inte så: teorin tillåter att med säkerhet beräkna vissa aspekter av partiklarnas utveckling, men inte allt (annars måste du nöja dig med att beräkna sannolikheten för att ett visst fenomen kommer att hända). Men i inget fall medger teori situationer där till exempel effekten föregår orsaken eller kopplas från den.

VÄLJER VÅR ESSENCE TILL ALLA UNIVERSE?

När vi surfar på Internet verkar utrymmet sugas in med ett musklick, inom hypertextlänkar mellan system som ligger tusentals km från varandra. I den subatomära världen, under vissa förhållanden, kan samma sak hända: det finns "tvilling" -partiklar, kopplade till varandra av intrasslingsegenskapen, som trots att de befinner sig i motsatta punkter av universum skulle kunna kommunicera direkt med varandra, agera i sin helhet 'ett.

Detta nu bevisade fenomen förstör en av pelarna i traditionell fysik: lokalitetsprincipen. Så mycket att väcka tvivel: lever vi i en odelbar, dynamisk helhet, vars delar är sammankopplade som den holländska filosofen Baruch Spinoza hävdade på 1600-talet?

Enligt hans "panteistiska" vision finns det ett unikt och oändligt ämne, en geometrisk ordning där Gud och naturen sammanfaller (Deus sive natura, "Gud eller natur") som inre orsak för helheten.

AVFALLER NATUREN VACUUM?

Natura abhorret a vacuo ("naturen avvisar tomrummet"): frasen går tillbaka till medeltiden, men begreppet är gammalt: redan i fjärde århundradet. till. C. Den grekiska Aristoteles och hans lärjungar förnekade förekomsten av "en plats där det inte finns något", där "det inte är möjligt för ens ett enda objekt att röra sig".

Taboe i väst har varit kvar i årtusenden, till och med assimilerat av kyrkan, som inte tolererade existensen av en plats utan Gud. Då hade klassisk fysik visat att tomhet kunde skapas, till exempel genom att eliminera luften från en behållare . Det verkade också möjligt att skapa det "perfekta tomrummet", det vill säga ett område i rymden helt utan atomar och ljus.

Men kvantmekaniken har visat att detta inte är möjligt: ​​till och med det "perfekta vakuumet" skulle innehålla oändliga energifluktuationer som kan generera virtuella partiklar som uppstår från ingenting och försvinner kontinuerligt på mycket kort tid. Kort sagt, Aristoteles hade rätt i en viss mening.

ÄR VERKLIGHETSMÅL ELLER INFORMATION?

Idag bevittnar vi datavetenskapens triumf: texter, bilder, ljud och filmer reser på Internet från en del av världen till en annan i form av sekvenser av 0 och 1: bitarna. Dessa digitala tegelstenar, en väsentlig del av vårt liv, leder oss till en reflektion: består verkligheten av materie eller bitar? Kanske, som science fiction-filmen Matrix berättar för oss, lever vi i en stor elektronisk hjärna som simulerar världen. Med skillnaden att bitarna i kvantmekanik skiljer sig från de "klassiska": de kallas qubits och tillåter kombinationer (och logiska operationer) av en oöverträffad komplexitet i världen av traditionell databehandling

Finns det en teori som kan förklara allt?

Fysiker letar efter en teori om allt, som kan förena allt: man och stjärnor, små och stora ... kommer de att göra det? Det sägs inte, men ambitionen är gammal. På sitt eget sätt hade han redan provat det på 600-talet. till. C. den grekiska filosofen Pythagoras, som anförtro numren, naturens ultimata beståndsdelar, att hålla universum förenat.

Idag är dock huvudfokuset på en utveckling av strängteorin som kallas "Theory M". Mer än en enda teori är det för närvarande ett system med 5 distinkta teorier som gäller i olika sammanhang.

Vi kan jämföra det med en stor karta över världen: för att troget representera hela jordytan behövs många små kartor som delvis överlappar varandra och visar olika aspekter av samma landskap.

Återanpassad från en artikel av Roberto Rizzo och Carolina Borella

Relaterade Artiklar