Revija Joker - Šnelkurs kvantne mehanike

ČLANKI
stranka » članki » vedež » Šnelkurs kvantne mehanike
Šnelkurs kvantne mehanike
...
Aggressor pojasni razvpite fizikalne pojme, kot so dvojnost val-delec, nedoločenost in kaj je navsezadnje pri vsem sploh kvantnega.

V šolah nas učijo gibanje predmetov opisovati z newtonsko fiziko. Za vsakdanje razmere, kot je prosti pad žogice ali vožnja avtomobila po klancu, tak način povsem zadošča, vendar Newtonove enačbe odpovedo, ko se bliža­mo zelo visokim hitrostim ali se spustimo v sredico materije prav do atomov. V prvem primeru se mo­ramo zateči k Einsteinovim teorijam relativnos­ti, v drugem pa h kvantni mehaniki, vedi, ki opisuje interakcije osnovnih delcev.

Paketki energije
Da s klasično fiziko v določenih primerih ne štima vse, so slutili že v 19. stoletju. Pri sevanju črnega telesa, ki vsrka in izseva vso svetlobo, je Nemec Max Planck leta 1900 presenečeno dognal, da se mu enačbe izidejo samo, če v njih privzame, da telo sevalno energijo prejema in oddaja v majhnih dis­kretnih paketkih in ne zvezno, kot so menili dotlej. Tem enotam je rekel energijski kvanti. Oziroma tedaj še 'kvante', kakor je slišal govoriti kolege, kot je bil von Helmholtz. Slednji je bil obenem zdravnik in ti so kvante povzemali iz latinskega quantus, kar je pomenilo 'nekoliko' v smislu količine nečesa. Skozi delo Plancka in sodelavcev se je izraz naposled v fiziki udomačil za poimenovanje majhnih diskretnih količin. 
Kvantizacija energije je bila za tiste čase neintuitiv­na zamisel, ki jo je okolica sprva zavračala. Tudi Plancku je bilo z njo nelagodno živeti. Nakar je prišel stric Einstein in jo, ne meneč se za pomisleke, leta 1905 uporabil za razlago pojava fotoefekta. Pri njem svetloba, ki pada na prevodno snov, v slednji povzroča električno napetost, česar dotlej niso znali razložiti. Einstein se je domislil, da bi svetlobo ponazoril s kvanti (pozneje so dobili naziv fotoni), ki se zaletavajo v elektrone v prevodniku in jih izbijajo, s čimer pride do električnega toka. Za to genialnost je dobil Nobelovo nagrado. 
Kvantiziranost energije je imela daljnosežne posledice. V začetku dvajsetega stoletja so si fiziki belili glavo z zgradbo atoma. Menili so že, da se elektroni okoli atomskega jedra gibljejo po nekakšni krožnici. Toda pri tem bi morali s sevanjem izgubljati energijo in slej ko prej pasti proti jedru. Vemo pa, da so atomi obstojni. Dilemo je leta 1913 razrešil mladi Danec Niels Bohr, ko je dejal, da elektroni zaradi kvantizirane vrtilne energije ne morejo sevati po mili volji, marveč zgolj v določenih kvantih, zaradi če­sar se atomi ne sesedejo sami vase. 

Erwin Schrödinger je bil Avstrijec, razvpit po tem, da je živel z dvema ženskama. No, za njegova odkritja je bilo bolj važno, da je delal v celinski Evropi, ki je dala temelje kvantne fizike.

Valovna mehanika 
Bohr je kvantizacijo naposled prerinil v takratni znanstveni mainstream. A ni si mislil, da bodo kasnejši izsledki še bolj divji. Leta 1923 je Francoz Louis de Broglie prišel na še eno noro zamisel. Trditev o kvantizaciji svetlobe je obrnil in porekel, da lahko na snovne delce, kot so elektroni ali celo nogometna žoga, morda obesimo podatek o valovni dolžini. Na presenečenje vseh so trditev nekaj let zatem potrdili, in sicer tako, da so tok elektronov poslali skozi ozko režico. Pri tem niso poleteli skoznjo kot običajni snovni delci, marveč so se uklonili – kot se svetloba okoli vogala. Torej kot valovanje. Ta razvpita dvojnost val-delec pravi, da se vsi objekti obnašajo včasih kot valovi, drugič kot delci. Tudi ti in jaz, le da je najina valovna dolžina tako ogromna, da to nikdar ne pride do izraza. Pri majhnih delcih pa je takšne velikosti, da vpliva na njihovo obnašanje. Ta sklep je naposled napeljal Wernerja Heisenberga in Erwina Schrödingerja, da sta ob­likovala enačbe valovne mehanike, ki opisujejo gibanje delcev v kvantnem svetu. Schrödingerjeva enač­ba, ki jo je možakar zapisal leta 1926, je rodila moderno kvantno fiziko.

Curek delcev, kot so elektroni, se pri poti skozi režo ukloni. Če imamo na ploščici dve reži, se uklonjena snopa za njo seš­te­jeta (temu pravimo interferenca) kot dvoje valov na vodni površini.

V valovni mehaniki delca, kot je elektron, ne opi­še­mo s koordinatami kot v Newtonovi fiziki. Tu je zapisan v obliki valovne funkcije psi, ki je podobne oblike kot opis valov na vodi. A to je le ra­čunsko orodje in si ne smemo predstav­ljati, kot da je v resnici prav takšen val! Le verjetnost, da ga bomo našli na neki točki, je sorazmerna z amplitudo valovne funkcije. Kvantna fizika je pač na moč abstraktna in njene postulate si je težko st­varno naslikati. Namesto tega je treba zaupati enač­bam, četudi so videti neintuitivne. Prva hec­nost, ki iz valovnih enačb sledi in jo je zaznal Heisenberg, je na­če­lo nedoločenosti. Kvantnemu delcu ne moremo hkrati natančno določiti lege in hitrosti. Druge so še bolj odpuljene. Kvantno tuneliranje je denimo pojav, ko se delec v redkih primerih spontano pojavi na drugi strani trdne prepreke, kar izrabljamo v tunelskem mikroskopu.

Schrödingerjeva mačka je navidez paradoksalni miselni eksperiment, ki si ga je možakar leta 1935 izmislil za predstavo superpozicije. V škatlo z živo mačko zapremo strup, ki ga sproži morebitni razpad radioaktivnega vzorca. Da jedro razpade, je natančno 50-odstotna možnost. Za opazovalca je zaradi te naključnosti mačka hkrati živa in mrtva, dokler škatle ne odpre.

Kolapsi svetov  
Načelo nedoločenosti sicer dostikrat zamešamo s principom opazovanja oziroma meritve, čeprav to nista isti stvari. Opazovanje se tiče dejstva, da vsakič, ko pokukamo med kvantne objekte, te nepopravljivo zmotimo. Najbolj znani praktični primer tovrstnega pojava je poskus s curkom elektronov skozi dvoje bližnjih rež. Dokler snop nemoteno pada na ploščico z režama, se na zaslonu za njo izriše slika, kot da potuje skozi obe reži hkrati. Če pa želimo po vsej sili dognati, skozi katero dejansko gre, in na eno postavimo detektor, se slika nenadoma spremeni in curek potuje le še skozi eno! 
Tako je zaradi pomembne značilnosti valovnih funkcij, da jih za opis stanja kvantnega sistema (v tem primeru toka delcev) dobimo s seštevkom ali superpozicijo vseh možnih stanj tega sistema. Takrat je sistem v vseh možnih stanjih hkrati! Ko pa ga zmotimo z meritvijo, pride do tako imenovanega kolapsa valovne funkcije v eno samo stanje. Kako si ta pojav razlagati, je v fiziki velika diskusija, ki se je lotevajo tako imenovane interpretacije kvantne mehanike. Še danes ima največ privržencev köbenhavnška, ki pravi, da sistemi pred meritvijo dejansko nimajo določenih vrednosti in jih vanje prisilimo z meritvijo. Med alternativami je tista o mnogih svetovih, ki pravi, da vsako mogoče stanje odraža lasten vzporedni univerzum. Njen pristaš je denimo oče kvantnega programiranja David Deutsch.

Šnelkurs kvantne mehanike objavljeno: Joker 281
december 2016