Τι είναι η Κβαντική Φυσική;
Η κβαντομηχανική είναι ίσως ο πιο μυστηριώδης κλάδος της φυσικής και δικαιολογημένα, αφού περιλαμβάνει ένα σωρό αλλόκοτα φαινόμενα. Για αρχή όμως ας δούμε τι είναι και με τι ασχολείται.
Αναλογίσου τη φαινομενικά αυτονόητη ιδέα πως το σύμπαν θα υπήρχε ακόμα και αν δεν βρισκόταν κανείς τριγύρω για να το βιώσει. Πως ακόμα και όταν κλείνουμε τα μάτια μας ο κόσμος γύρω μας δεν περνάει στην ανυπαρξία, μόνο και μόνο για να υλοποιηθεί όταν τα ξανανοίξουμε. Υποθέσεις σαν κι αυτές τις θεωρούμε κοινή λογική και είναι βαθιά ριζωμένες στο μυαλό μας. Η φυσική όμως πήρε διαζύγιο από την κοινή λογική όταν πρωτοέπεσαν στην αντίληψή μας τα φαινόμενα της κβαντομηχανικής.
Πολύ χοντρικά, η φυσική μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις κατηγορίες: Στην κλασική μηχανική, η οποία μελετάει αντικείμενα πολύ μεγαλύτερα από άτομα που κινούνται με πολύ μικρότερες ταχύτητες από του φωτός, στην σχετικιστική μηχανική, η οποία επεκτείνει την κλασική και μελετάει αντικείμενα που ταξιδεύουν με ταχύτητες συγκρίσιμες με αυτή του φωτός, στην κβαντική μηχανική που καταπιάνεται με τις κινήσεις των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων και τέλος, στην κβαντική θεωρία πεδίου, η οποία, όπως φαντάζεσαι, ενώνει την κβαντική και τη σχετικιστική μηχανική. [1]
Μην ξεγελιέσαι όμως, η κβαντομηχανική δεν είναι απλά η φυσική των μικροσκοπικών αντικειμένων, αλλά δίνει μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της πραγματικότητας απ’ ό,τι η κλασική φυσική. Για την ακρίβεια, θα μπορούσαμε να πούμε πως η κλασική φυσική είναι η κβαντομηχανική των μεγάλων αντικειμένων!
Γιατί «κβαντική» φυσική;
Ο όρος «κβάντο» προέρχεται από τα λατινικά και σημαίνει «πόσο». Για παράδειγμα, το φωτόνιο είναι ένα κβάντο φωτός, δηλαδή η μικρότερη ποσότητα φωτός που μπορεί να υπάρξει.
Ορισμένα μεγέθη στην κβαντομηχανική είναι κβαντισμένα, δηλαδή μπορούν να πάρουν μόνο συγκεκριμένες τιμές. Σκέψου πως βρίσκεσαι στην κουζίνα σου, κρατάς ένα ποτήρι και μπροστά σου είναι τρία ράφια. Μπορείς να αφήσεις το ποτήρι πάνω σε οποιοδήποτε ράφι, αλλά δε μπορείς να το αφήσεις ανάμεσα από τα ράφια. Έτσι και τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα άτομο μπορούν να βρίσκονται μόνο σε συγκεκριμένα ενεργειακά «ράφια», τα οποία ονομάζουμε ενεργειακές στάθμες. Μπορούν να πηδούν από τη μία στάθμη στην άλλη άμα τους δώσουμε την κατάλληλη ενέργεια, αλλά δεν μπορούν να βρεθούν ανάμεσα από τις στάθμες. [2]
Κυματοσωματιδιακός δυισμός
Όλη η ουσία της κβαντομηχανικής συνοψίζεται στο γεγονός πως τα πάντα στο σύμπαν συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως κύματα και ως σωματίδια. Το περίεργο με αυτό είναι πως αυτά τα δύο είναι εντελώς διαφορετικά πράγματα. Το κύριο χαρακτηριστικό των σωματιδίων είναι ότι περιορίζονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου σε αντίθεση με τα κύματα τα οποία είναι απλωμένα και βρίσκονται σε πολλά μέρη ταυτόχρονα. Διαφορά επίσης υπάρχει και στο πως αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους. Αν κοπανίσουμε δύο μπάλες αυτές απλά θα συγκρουστούν και θα αλλάξουν πορεία. Τα κύματα όμως δεν συγκρούονται, απλά περνάνε το ένα μέσα απ’ το άλλο και δημιουργούν μεγαλύτερες κορυφές ή κοιλότητες ή αλληλοαναιρούνται.
Όλα αυτά μπορούμε να τα δούμε στην πράξη στο πείραμα των δύο σχισμών, στο οποίο έχουμε ένα τοίχωμα με δύο σχισμές και απέναντι μια οθόνη. Αν αρχίσουμε να πετάμε πέτρες στο τοίχωμα, στην οθόνη θα έχουμε δύο κάθετες γραμμές από χτυπήματα ακριβώς απέναντι απ’ τις σχισμές.
Αν στείλουμε όμως ένα κύμα νερού στο τοίχωμα, αυτό θα διασπαστεί σε δύο νέα κύματα τα οποία θα συμβάλλουν και θα δώσουν στην οθόνη μια εικόνα συμβολής, με τη φωτεινότητα να αντιστοιχεί στην ένταση του συμβαλλόμενου κύματος, δηλαδή στο ύψος του νερού.
Τα ηλεκτρόνια είναι υποατομικά σωματίδια και μέχρι και σήμερα τα φανταζόμαστε ως πολύ μικρές μπίλιες. Οπότε θεωρητικά, στο πείραμα των δύο σχισμών θα έπρεπε να δίνουν το ίδιο αποτέλεσμα με τις πέτρες.
Αλλά δεν το δίνουν. Αντί για δύο κάθετες γραμμές δίνουν μια εικόνα συμβολής, σαν κύματα. Ανάμεσα από τις δύο σχισμές, εκεί που η οθόνη λογικά δεν θα έπρεπε να δείχνει τίποτα, φαίνεται να πέφτουν τα περισσότερα ηλεκτρόνια. [3]
Πραγματική φωτογραφία από πείραμα δύο σχισμών με ηλεκτρόνια (Πηγή)
Το αποτέλεσμα αυτό φαινομενικά αψηφά τη λογική και αυτό είναι κομματάκι πρόβλημα. Αν το σύμπαν δεν είναι συνεπές με τον εαυτό του δεν θα είχε κανένα νόημα να προσπαθούμε να το καταλάβουμε και οι φυσικοί θα έμεναν χωρίς δουλειά. Είναι φανερό λοιπόν ότι τα μικροσκοπικά πράγματα συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά απ’ ό,τι έχουμε συνηθίσει γι’ αυτό και χρειαζόμαστε ένα καινούργιο σετ κανόνων για να εξηγήσουμε τέτοιου είδους αποτελέσματα. Το νέο αυτό σετ κανόνων είναι η κβαντική φυσική.
Πριν εκτελέσουμε το πείραμα των δύο σχισμών με ηλεκτρόνια, κάναμε δύο εμπειρικές υποθέσεις. Η πρώτη ήταν πως επειδή το ηλεκτρόνιο μοιάζει με σωματίδιο όταν το παρατηρούμε αυτό συνεπάγεται ότι θα μοιάζει με σωματίδιο και όταν δεν το παρατηρούμε. Τέτοιου είδους υποθέσεις είναι πολύ σημαντικές στην επιστήμη. Θέλουμε να πιστεύουμε πως τα πειράματά που κάνουμε απλά αποκαλύπτουν την πραγματικότητα και όχι ότι την αλλάζουν ολοκληρωτικά. Η κβαντομηχανική καταπατάει εντελώς αυτή την υπόθεση. Όταν δεν το παρατηρούμε, η κβαντική φυσική μιλάει μόνο για κάτι που ονομάζεται «κυματοσυνάρτηση του ηλεκτρονίου» και όχι για το ίδιο το ηλεκτρόνιο. [4]
Τι είναι η κυματοσυνάρτηση;
Η κυματοσυνάρτηση συμπεριφέρεται σαν ένα οποιοδήποτε κύμα αλλά το τι ακριβώς αναπαριστά είναι αμφιλεγόμενο. Η επικρατέστερη άποψη λέει πως εκφράζει όλες τις πιθανότητες για το που μπορεί να βρεθεί το ηλεκτρόνιο. Στο σημείο αυτό κλονίζεται και η δεύτερη υπόθεση που είχαμε κάνει. Μας αρέσει να πιστεύουμε πως τίποτα στο σύμπαν δεν είναι εντελώς τυχαίο. Αν μπορούσα να υπολογίσω όλες τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη ρίψη ενός ζαριού, όπως με πόση δύναμη θα το πετάξω και υπό ποια γωνία ή σε τι επιφάνεια θα το πετάξω, θα μπορούσα να γνωρίζω με σιγουριά τι νούμερο θα φέρει.
Τα κβαντομηχανικά συστήματα όμως είναι πραγματικά τυχαία. Ακόμα και αν ρίχναμε τα ηλεκτρόνια στο τοίχωμα με τις ίδιες αρχικές συνθήκες κάθε φορά, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε που ακριβώς θα πέσουν. Το μόνο που μπορούμε να ξέρουμε είναι η πιθανότητα να πέσουν σε κάποιο σημείο.
Η κυματοσυνάρτηση λοιπόν, είναι ένα κύμα πιθανοτήτων. Εκεί που η ένταση του κύματος είναι μεγαλύτερη είναι εκεί που το ηλεκτρόνιο έχει τη μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί. Όταν λέμε δηλαδή πως τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν κύματα, δεν εννοούμε πως το ίδιο το σωματίδιο μετατρέπεται σε ένα εκτεταμένο αντικείμενο σαν κάποιου είδους σύννεφο που κυματίζει, αλλά ότι όλες οι πληροφορίες που μπορούμε να αντλήσουμε για το σωματίδιο, όπως για παράδειγμα η θέση ή η ταχύτητά του, προέρχονται από την κυματοσυνάρτησή του. Το περίεργο βέβαια είναι πως το σε ποια κατάσταση θα βρίσκεται ένα σωματίδιο όταν το μετρήσουμε είναι καθαρά θέμα πιθανοτήτων…
Αν κάτι δεν σου κάθεται καλά με αυτό, καλώς ήρθες στο κλαμπ! Δεν είσαι μόνος. Πάρα πολλοί μεγάλοι επιστήμονες δεν μπορούσαν να χωνέψουν με τίποτα αυτή την ερμηνεία της πραγματικότητας, συμπεριλαμβανομένου του Αϊνστάιν ο οποίος είπε μια παραλλαγή της φράσης «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν». Οι προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας όμως έχουν αποδειχθεί ξανά και ξανά μέσω αμέτρητων πειραμάτων. Μπορεί να μην την έχουμε καταλάβει απόλυτα, αλλά χωρίς αυτή δεν θα είχαμε ένα σωρό συσκευές που χρησιμοποιούμε καθημερινά όπως τα λέιζερ, οι μαγνητικοί τομογράφοι και οτιδήποτε χρησιμοποιείς αυτή τη στιγμή για να διαβάζεις αυτό το άρθρο. [5]
