Andrej VidovićNauka

Kvantna mehanika: Subatomska zemlja čuda

Mičio Kaku ju je ocenio neporecivo tačnom, iako su je mahom smatrali i najluckastijom, samo zato što se kosi sa uvreženim “zdravim razumom”. Upinjući se za odgovorima na pitanja makro sveta, kvantna teorija otkrila nam je jedan sasvim novi – neintuitivan, neopaziv, predivno zagonetan. Neverovatan!

Mladi Maks Plank bio je u vrsti dileme koja se javlja na životnim prekretnicama. Između dva puta kojima je mogao poći, matematike i fizike, opredelio se za ovaj drugi, suprotno verovanju njemu bliskih da je reč o nauci koja je sve svoje već pružila i iscrpela. Bio je to primer retko briljantnog izbora. Po njegovoj konstanti će se opisivati red veličina mikrosveta u kojem kvanti caruju u svom nadrealnom maniru. Doduše, zapitaćemo se i koliko i da li je kvantni svet taj koji je zapravo “čudan”. Odgovori će stići malo kasnije i baciće rukavicu u lice našoj pretpostavci kakva bi stvarnost trebalo da bude.

Ono što je Plank preduzeo na sebe starije je od davnašnjih nedoumica i pogrešnih pretpostavki o kraju fizike. Ako bismo, istorijski popularnim modelom, morali da uperimo prstom na tačnu godinu početka priče o kvantnoj mehanici, to bi morala biti 1859., od kada datira teorema radijacije crnih tela Gustava Kirkofa (posredi su objekti koji apsorbuju svu energiju usmerenu ka njima te ne odbijaju svetlost). Od naredne godine pa sve do kraja veka, Ludvig Bolcman je, najpre zajedno sa Džejmsom Maksvelom dospeo do teorijskih rešenja za radijaciju crnih tela korišćenjem elektromagnetne teorije, a samostalno je defnisao entropiju kao meru neuređenosti sistema – vrlo bitna stavka za fiziku XX veka. A kada je gorostasni (i likom i delom) novozelanđanin Ernest Raderford ispalio alfa čestice na zlatnu foliju očekujući da prođu pravo kroz nju uz male devijacije u putanji (po teoriji ravnomernog raspoređivanja pozitivih i negativnih naboja u atomu), desilo se čudo – određen postotak čestica se vrlo jasno odbio pod velikim uglovima. To je objašnjeno novim modelom atoma, sa većinom mase kompaktno stešnjenom u pozitivno naelektrisanom jezgru (koja su, dabome, bila ta prepreka o koju su se odbijale alfa čestice) i elektronima u razuđenoj orbiti što je, drugim rečima, atomu podarilo “imidž” uglavnom praznog prostora – ali je i svetu donelo pravu malu riznicu novih subatomskih čestica (fotone, fermione, bozone, kvarkove, tahione…).

Prikaz Raderfordovog eksperimenta sa alfa česticama

U susret novoj fizici

Za razliku od određenog broja grandioznih naučnih prodora, rođenje kvantne mehanike nije bilo delo jednog svemudrog uma, niti je obavljeno u jednom koraku. Još za toka njene kreacije, učestvujući naučnici su bili neretko u velikim dubiozama, poljuljane vere u svoju disciplinu i znanje. Međutim, i pored svega, važno je istaći: kvantna teorija je najuspešnija i najpreciznije testirana teorija u istoriji nauke! Kvantna mehanika – teorije materije na atomskom nivou – je samo jedna od dva područja koja kvantna fizika zapravo obujma. Druga je kvantna teorija polja.

Osnovna Plankova hipoteza u njegovom proslavljenom radu o toplotnom zračenju iz 1900. bila je da energija mora da pravi skokove iz jedne vrednosti u drugu u diskretnim skokovima i da nije ravnomernog toka, već da se odašilje u “paketima” – kvantima.

“Svako ko nije šokiran kvantnom mehanikom nije je zapravo ni razumeo.” – Nils Bor



Maks Plank je načeo i podstakao razvoj nove discipline u fizici.

Na kvantnim skalama, energija i materija (dve strane iste medalje, kako je Ajnštajn to vrlo ubedljivo dokazao) imaju dvojak način ponašanja i postojanja: kao čestice i talasi. A ako vam sve do sada nije zagolicalo maštu, evo pravog aperitiva za naučne apetite: kvantni objekti mogu da postoje u velikom broju stanja i mesta istovremeno. O tome i o tzv. prepletenosti (entanglement) – međuzavisnosti kvantnih čestica pri kojem, ma koliko udaljene bile jedna od druge, “petljanje” sa jednom trenutno i identično utiče na drugu, a koju je Ervin Šredinger nazvao ključnom odlikom kvantne fizike – ubrzo ćete čitati.

U godini koja je po svakom osnovu bila čudesna za njega (ali i za svet), Albert Ajnštajn je izučavao fotoelektrički efekat (koji mu je doneo Nobela 1921.), pojavu kada elektroni na površini metala apsorbuju dovoljno svetlosti da se oslobode svoje orbite. Te 1905. godine postulirao je da se sama svetlost sastoji od zasebnih kvantnih čestica – kasnije nazvanih fotonima (imenitelj je bio Gilbert Luis 1926.). Dualitet prirode svetlosti je bio jedan od prvih nagoveštaja o separatnim pravilima mikro stvarnosti od naše. Nils Bor je u svojoj “Kopenhagenskoj interpretaciji” obznanio da sam čin merenja utiče na ono na šta posmatramo. Za razliku od Njutnovskog argumenta o svetlosti kao nizu malih čestica koje putuju jasnom linijom, Thomas Young i Augustin Fresnel su sugerisali da je svetlost, u stvari, talas – talas sposoban da se po propuštanju kroz uzak otvor rasprostre po šablonu interferencije, nalik koncentričnim talasima na površini jezera.

Bor je sledeću kapiju progresa otvorio 1913. godine radikalnom hipotezom (u radu za koji je 1922. osvojio Nobelovu nagradu) da elektroni u atomima postoje samo u izvesnim stacionarnim stanjima i da svoju energiju menjaju skokovima između stacionarnih stanja. Kombinacijom poznatih zakona klasične fizike sa bizarnim pretpostavkama kvantnog ponašanja, Bor je rešio problem atomske stabilnosti. 


Koncepti nove kvantne teorije su uveli novi element šanse koji je onespokojavao fizičare, ne najmanje od svih, Ajnštajna. Luj de Brolj je u svojoj doktorskoj disertaciji iz 1923. predložio da bi dvojna priroda čestica svetlosti mogla biti važeća i za sve druge čestice, posebno elektrone. Ispravno je povezao što je veći momentum čestice, talasna dužina je kraća.

Uspesi Pola Diraka na zaokruživanju kvantne teorije su dovele do predviđanja antimaterije.

Do “zaključenja” kvantne zavrzlame 1930. godine kada je radovima Pola Diraka unifikovana, a počev od 1925. godine, Volfgang Pauli je predložio svoj princip isključenja koji kaže da dva ista fermiona (čestice sa polu-celim spinom) ne mogu da zauzimaju isto kvantno stanje u isto vreme. Ervin Šredinger je izumeo mehaniku talasa u kojoj se stanje sistema opisuje talasnom funkcijom. Šredingerova mačka, jedan od najomiljenijih i najpoznatijih misaonih eksperimenata je ilustracija teorije superpozicije – principa da, dok nam nije poznato stanje nekog objekta, on se nalazi u svim mogućim stanjima istovremeno. Zamislimo mačku zatočenu u kutiji sa nekom smrtonosnom materijom, eksplozivom ili otrovom, za koje postoji šansa od 50% da se aktiviraju i usmrte životinju. Dok ne pogledamo u kutiju, ne znamo da li je mrtva ili ne, ali do tada, mačka se nalazi u superpoziciji je – i živa je i mrtva. Čin gledanja na taj način odlučuje ishod, tj. da priroda kolabira u jedno od dva moguća stanja. Princip neodređenosti Vernera Hajzenberga u svom najelementarnijem obliku postavlja temelje probabilističkog karaktera kvantne mehanike tvrdeći da se ne može istovremeno znati pozicija i momentum čestice koja se meri, jer se na taj način unosi energija koja menjaju ova (ili bilo koja druga) svojstva sistema. Što se preciznije izmeri jedna, utoliko druga nepoznanica postaje još manje određena.

“Filozof je jednom rekao: “Za samo postojanje nauke je najbitnije da isti uslovi daju iste rezultate”. Sa kvantnom mehanikom, to nije slučaj!” – Ričard Fejnman

Čuda kvantnog sveta

Pošto su njutnovska mehanika i klasični elektromagnetizam na atomskom nivou zamenjeni kvantnom teorijom, posebno je dragoceno istaći neka od najčudesnijih svojstava koja ovaj probabilistički sistem izmeptaju iz naučnog korpusa u nadrealni, ali i čisto filozofski.

Kvantna prepletenost je fenomen u kojem kvantna stanja dva ili više objekta moraju biti opisana u odnosu jedan na drugog, iako su prostorno razdvojeni. Moguće je imati slučaj sa dve čestice u jednom kvantnom stanju pri čemu jedna posmatrana ima gornji spin, druga obavezno ima donji (ili obrnuto). Merenja koja se obave na takvom sistemu momentalno utiču na ostale sisteme koji se sa njim prepliću.

Superfluidi su posebno stanje materije koja kada su ohladi do apsolutne nule manifestuje neobične kvantne efekte. U nekim slučajevima, viskoznost superfluida helijum-4, na primer, je jednaka nuli što znači da kapilarnost, kao jedno od uobičajenih pravila površinskog napona, više ne postoji. Superfluid u staklenoj tubi će se “uspuzati” bočnim delom epruvete zbog ovog svojstva.

Kvantno tunelovanje, deo mnogih fizičkih procesa poput radioaktivnog raspada i nuklearne fuzije  u Suncu, pojava je pri kojem čestica može da prođe kroz barijeru za čije prevazilaženje, u normalnim okolnostima, nema dovoljno energije ili može dozvoliti elektronu da pobegne privlačnoj sili jezgra bez kinetičke energije neophodne za tako nešto.

Okvir u kojem se kvantna mehanika i specijalna teorija relativnosti uspešno mire je kvantna teorija polja. Pored ta dva principa, bazira se i na trećem: postulatu da su elementarne čestice tačkasti objekti nulte veličine “razmazane” širom regije prostora zbog kvantnih efekata. Pol Dirak je, u sred frenetične kvantne revolucije, kvantnim opisom elektromagnetnog polja položio temelje kvantne teorije polja (elektromagnetnih ali i drugih naknadno otkrivenih) čija vijguava povest traje i danas. Za njeno nastajanje odgovorno je pitanje kako atom zrači svetlost skokovima elektrona iz ekscitovanog stanja u niža energetska stanja.

 Dirak je, radeći u izolaciji i anonimnosti svog imena, izumeo teoriju punu zamki kompleksnih kalkulacija i ogrešenja o principe saobraznosti. Kvantna elektrodinamika, kao nov pristup teoriji polja sa kraja 1940-ih., opisuje prostor prepun malih, fluktuirajućih elektromagnetnih polja koja objašnjavaju spontanu emisiju koja proizvodi male i merljive promene u energijama atoma. Kvantna teorija polja je jedna od najpotkrepljenijih brojnim izvršenim eksperimentima i osniva neke od najpresudnijih oblasti teorijske potrage.

Borov princip komplementarnosti je svojim postojanjem imao funkciju razrešenja paradoksa kvantne teorije kao što je dualitet talasa i čestica. Takozvanom “Kopenhagenskom interpretacijom” rečeno je da probabilistička priroda kvantne mehanike nije privremena odlika koju će zameniti determinizam, već se mora smatrati konačnim odricanjem od klasične ideje kauzalnosti.

Prava naučna zlatna groznica je sledila nakon ustoličenja kvantne mehanike. Zahavljujući njoj su dokučene strukture mnogih molekula, ustanovljena je teorija elektrona u metalima, a Džordž Gamov je rešio enigmu proizvoljne prirode radioaktivnog raspada emisijom alfa čestica (kvantnim tunelovanjem). Naravno, posebno spektakularno bilo je objašnjenje energetskog izvora zvezda Hansa Betea koji je osnivač i nuklearne fizike. Bili su to istorijski trenuci kojima je moderno doba otpočelo tamo gde ništa nije kako jeste.

Praktična primena kvantne mehanike

Izgled komponente jednog od prvih kvantnih kompjutera, "Orion", kompanije D-Wave

Budući da je kvantna mehanika kreacija potrebe da se apstraktni svet atoma, elektrona, neutrona i ostalih čestica približi ljudskom poimanju, pozitivno začuđuje opšte obilje njenih nusproizvoda. Što je još povoljnije za nas, neki su direktno primeljivi na usavršavanje života – a neki su i apsolutno esencijalni.

Informatičko doba svoj nezamisliv uzlet duguje upravo kvantnoj i fotonskoj revoluciji bez koje bi funkcionisanje modernih kompjuterski pokretanih sistema, poput berza, bilo nezamislivo. Kvanti su, dakle, i stub moderne ekonomije, a potreba za visokom zaštitom poverljivih informacija je iznedrila i tzv. kvantno šifrovanje. Enkripcija ovim putem u nekoliko koraka u potpunosti menja poverljive podatke od trenutka njihovog slanja preko vremena njihovog puta do konačnog primaoca. 

Kvantni kompjuteri, koji svojom procesorskom snagom eksponencijalno nadmašuju i najnaprednije klasične računare, su još uvek u fazi razvoja i njihova široka upotreba je predviđena za ne tako daleku budućnost. Za razliku od još uvek aktuelnih kompjutera koji funkcionišu po principu skladištenja informacija u binarnom formatu (serijama jedinica i nula), kvantni računari informacije sadrže u 1, 0 i superpoziciji ta dva stanja, što omogućava superiornu fleksibilnost sistema i kalkulacije na daleko većem redu veličina.

Kvantni procesi su i u samoj srži nekih od najvažnijih bioloških procesa u prirodi, poput fotosinteze a njima se objašnjava i kovalentna veza između atoma kojom se formiraju molekuli.

Quantum mechanics made relatively simple – 3 video lectures by Hans Bethe

autor: Andrej Vidović