Kviečiame skaityti dešimtąjį konkurso darbą! Šis darbas varžosi mokinių kategorijoje.
Daugiau apie šį mokslo populiarinimo konkursą skaitykite ČIA.
Karolis Vasarevičius
Kvantinė mechanika – fizikos sritis, tirianti mikrodaleles, tai yra atomus, ir viską, kas yra mažensni už juos. Ji aiškina reiškinius, kuriuos negali paaiškinti mechanika. Gali kilti klausimas, kokios tos dalelės, kurios yra mažesnės už atomus, tai yra: elektronai, pozitronai, protonai, neutronai, kvarkai, fotonai, neutrinai.
Protonai, turintys teigiamą krūvį, ir neutronai sudaro atomo branduolį. Neutronai yra neutralūs, krūvio neturi, tačiau yra labai nestabili dalelė, kuri gali skilti į protoną, elektroną ir neutriną. Neutrinas yra ideali neutrali dalelė, jis neturi krūvio, o masė yra labai maža, dėl to sakoma, kad masės jis neturi. Taip pat labai mažą masę turi elektronas, jo masė lygi m e ≈ 9,09 * 10 –31 , jis turi neigiamą krūvį. Pozitronas yra elektrono antidalelė, turinti teigiamą krūvį. Kvarkai yra fundamentaliosios dalelės, iš jų susidaro visos stipriai sąveikaujančios elementariosios dalelės (pavyzdžiui, protonai), jie skirstomi į tris tipus, ir nerandami laisvi, tik sudarydami elementariąsias daleles. Fotonas yra šviesos dalelė, arba šviesos kvantas, neturi krūvio, gali egzistuoti tik judant šviesos greičiu. Paminėti kvantai nėra kažkokia atskira dalelė, tačiau yra labai svarbūs kvantinėje mechanikoje, kvantas yra nedalomas energijos kiekis, pavyzdžiui fotonas yra šviesos kvantas, ši koncepcija buvo išvystyta iki kvantinės mechanikos teorijos.
Kvantą atrado žymus mokslininkas Maksas Plankas, bandydamas suprasti, kodėl kaitinamas plienas netampa nematomas. Klasikinėje fizikoje tuo metu buvo manoma, jog daugiau kaitinamas plienas turi skleisti vis daugiau energijos per šviesą, taip keisdamas savo spektrą, kol jo šviesa netaptų ultrovioletinė, tai yra nematoma, bet taip nevykdavo, plienas visą laiką išliko matomas. Kelis metus Maksas Plankas bandė įrodyti šį reiškinį klasikinės fizikos būdu, bet atsakymo nerado, dėl to jis pradėjo teigti, jog šviesa skleidžiama ne pastoviai, o atskiromis dalelėmis, t. y. kvantais. Iš šios teorijos jis sukūrė formulę: E = hv, kurioje E yra eneregija, v yra dažnis, o h yra vadinama Planko konstanta, kuria jis išvedė žinodamas E ir v, vėliau šią formulę ir teoriją įrodė fizikai eksperimentatoriai ir net tiksliai apskaičiavo Planko konst. reikšmę. 1900-12-14 vokiečių fizikų susirinkimo metu jis pristatė savo teoriją, ši diena neoficialiai vadinama kvantinės mechanikos gimtadieniu ir naujos eros fizikoje pradžia. Danų fizikas Nilsas Boras, naudodamas kvantavimo idėją, bandė paaiškinti atomo stabilumą. Savo mokytojo Ernesto Rezerfordo arba planetinis atomo modelis turėjo prieštaravimų, kadangi pagal tuo metu žinomus fizikos dėsnius tokia trajektorija judėdami elektronai su pagreičiu turėtų spinduliuoti elektromagnetines bangas, jas spinduliuodami elektronai greitai netektų energijos ir nukristų ant branduolio, tačiau taip nevyksta. Nilsas Boras, pritaikęs Makso Planko sukurtą formulę, sukūrė du postulatus: 1. Atomas nespindulioja energijos stacionarioje būsenoje, 2. Atomas spinduliuoja energiją tik keisdamas savo būseną, tai yra, kai elektronas pereina iš vieno sluoksnio į kitą, tuo metu atomas išspinduliuoja kvantą. Naudodamas savo atradimą ir eksperimentuodamas, jis išvedė Blamerio formulę, kuri nusako vandenilio atomo spektro linijų bangų ilgius, bet Boro modelis ir formulė irgi nebuvo tikslūs, ne vandenilio atomuose, eksperementai nesutapo su Nilso teorija, dėl to tyrimai šioje srityje tęsėsi. Žinoma, tai ne visi jo atradimai, pavyzdžiui, jis kartu su Verneriu Heisenbergu sukūrė Kopenhagos interpretaciją, apie kurią pakalbėsime šiek tiek vėliau, ir net trumpam spėjo sudalyvauti Manheteno projekte. Jis turėjo daug žymių mokinių, pavyzdžiui Vernerį Heisenbergą. Heisenbergas yra vienas iš kvantinės mechanikos pradininkų, 1925 m. paskelbęs savo “Kvantinę teorinę kinematinių ir mechaninių ryšių interpretaciją”, kol jis gydėsi ligoninėje, jam kilo mintis, jog Boro atomo modelyje prieštaravimai kyla dėl naudojimo tokių dydžių, kurie niekada nebuvo pastebėti eksperimetų metu, vadinasi, yra nežinoma, ar tie dydžiai iš viso gali būti stebimi. Kadangi elektrono judėjimo trajektorijos neįmanoma stebėti, jis pasiūlė vietoje anksčiau bandymų nustatyti trajektoriją hipotetiškai performuluoti teoriją, joje naudojant dydžius, kuriuos galime stebėti eksperimentų metu, kaip tai daroma astronomijoje, vienas iš stebimų dydžių buvo išskiriamų fotonų dažnis, pereinant elektronui iš vieno sluoksnio į kitą, žinant dažnį, matematikoje naudojant Furje transformaciją galima dažnį paversti trajektorija. Toliau vystydamas teoriją, jis naudodamas Furje eiles, išvedė sudėties ir daugybos formules objektams, turintiems du indeksus, jis buvo nustebęs, kai pastebėjo, jog daugybos formulėje dydžių dėsningumas turėjo reikšmę, tai yra x * y nebuvo lygu y * x, šis ypatumas tapo vienas iš esminių skirtumų tarp kvantinės ir klasikinės fizikų. Kai Heisenbergas paskelbė šią teoriją, prasidėjo Naujosios kvantinės fizikos etapas. Kaip pasakė vienas fizikas „Tai momentas, kai Heisenbergas rado mažą takelį, kuris išvedė iš tamsos į naujos fizikos šviesą“. Tik po to ši fizikos dalis pradėta oficialiai vadinti Kvantine mechanika. Be to, jis suformulavo Neapibrėžtumo principą, jis teigia, jog turėdami dvi kvantinio objekto savybes, kuo tiksliau mes žinome vieną jo savybę, tuo netiksliau mes žinome kitą. Pavyzdžiui, jeigu greitai judantį objektą nufotografuosime su didele ekspozicija, mes galėsime pamatyti, kad objektas juda greitai, tačiau mes negalėsime suprasti, kur jis randasi, bet jeigu nufotografuosime su maža ekspozicija, mes lengvai galėsime nustatyti, kur jis randasi, bet nepastebėsime jo judėjimo greičio. Ankščiau minėti fizikai padarė didžiulę įtaką kvantinei fizikai, bet du žymiausi fizikai šioje sferoje yra Ervinas Schriodingeris ir Albertas Einšteinas. Ervinas Schordingeris 1926 m. paskelbė savo darbą, kuriame buvo klasikiniu metodu aprašyti veiksmai, kurie vyksta atome. Tai buvo reikalinga, nes tuometiniai įžymūs fizikai šioje srityje naudojo tokius matematinius ir fizikinius veiksmus, kuriuos galėjo suprasti tik keli matematikai ir keli fizikai. Jo idėjos turėjo didelį palaikymą senųjų fizikų gretose, bet ir stiprų pasipriešinimą tarp naujųjų fizikų. Šiame darbe buvo paminėta žymi Shriodingerio formulė. Vėliau jis sugalvojo savo atomo modelį ir žymų eksperementą „Schriodingerio katinas“, kuriuo paaiškinama superpozicija ir kvantinis nemirtingumas. Albertas Einšteinas kvantinėje fizikoje pasižymėjo fotoelektrinio efekto paaiškinimu, už tai jis gavo Nobelio premiją, tuo pačiu jis papildė Planko teoriją. Žinoma, aš nepaminėjau daug žymių vardų, kurie prisidėjo prie kvantinės fizikos, pavyzdžiui: Volfgangas Paulis, Paulius Dirakas, Ernestas Jordanas, Maksas Bornas, Arnoldas Zomerfeldas ir t.t.
Jau minėta Kopenhagos interpretacija, sukurta Nilso Boro ir Vernerio Heisenbergo, jos idėja yra, jog kvantinė mechanika yra atsitiktinė, o objektai turi tam tikrų savybių poras, kurių negalima išmatuoti arba stebėti vienu metu, be to, objekto stebėjimas arba matavimas yra negrįžtami procesai, ir objektui negali būti priskirta kita tiesa, išskyrus matavimo rezultato. Ką tai reiškia? Kad suprastume tai pirmiausiai reikia suprasti, kas yra kvantinė superpozicija, tai būsena, kai dalelė kvantinėje fizikoje turi dvi reikšmes vienu metu. Įsivaizduokite knygą, kuri guli ant stalo, bet kvantinėje mechanikoje, jeigu ji yra superpozicijoje, ji gali vienu metu gulėti ir ant stalo, ir ant lovos, jeigu tikėti Kopenhagos interpretacija, matuojant arba stebint knygą (stebėjimas yra atliekamas tik matavimo prietaisais ir žmogaus akis nėra toks prietaisas), mes išmatuojame, kad knyga randasi ant stalo, išmatuodami ją, mes pasirenkame vieną jos būseną, šiuo atveju, kad ji yra ant stalo. Beje, tai vienas didžiausių sunkumų tiriant kvantinę fiziką, nes ją stebint tam skirtais prietaisais, mes keičiame patį kvantinį pasaulį. Daugiapasaulinėje interpretacijoje, sukurtoje mokslininko Hju Evereto, kiekviena iš įmanomų galimybių įvyksta kitame tuo metu sukurtame pasaulyje, tai yra bandydami išmatuoti ar stebėti kvantinį kūną kiekvienas įmanomas rezultatas įvyksta tiesiog skirtinguose pasauliuose. Grįždami prie knygos, jeigu tikėti daugiapasaulinė interpretacija, tuo metu, kai mes bandysime išmatuoti knygos padėtį, atsiras du pasauliai, viename knyga gulės ant stalo, kitame – ant lovos. Tačiau mes, matuodami gauname tik vieną variantą ir negalime įrodyti ar paneigti šios teorijos. Būtent šios interpretacijos principu veikia kvantinis nemirtingumas.
Pastaruoju metu kvantinė fizika daugiausiai tiriama dalelių greitintuvuose, žymiausias atradimas yra eksperimentiniu būdu išgautas Higso bozonas. Lietuvoje irgi vystomas šis mokslas, neseniai buvo įsteigta Lietuvos kvantinių technologijų asociacija. Ir šiuo momentu jūs galite paklausti: jeigu kvantinė mechanika yra tiek daug tiriama, kokius žmonijai naudingus atradimus lėmė šis mokslas? Jeigu išskirti atominę energiją, kurios atsiradimą lėmė ir kvantinė fizika, galima paminėti: telefono ar kito elektros prietaiso ekranas, triodas, tranzistorius, lazeris, elektroninis mikroskopas, elektroprietaiso atmintis, dar yra bandoma sukurti kvantinį kompiuterį.
Apibendrindamas noriu pasakyti, jog šioje esė tik parodžiau kvantinės fizikos paviršių ir net jį nelabai paliečiau, pasistengiau pristatyti faktus, kurie yra įdomūs ne tik man, bet ir skaitytojui. Šiuo esė siekiu sudominti skaitytoją, ir, žinoma informacija, kurią jame rašiau, yra supaprastinta ir apibendrinta, kad bet koks žmogus, turintis bent mokyklinį išsilavinimą, skaitydamas šią esė galėtų suprasti ir gal susidomėti šia tema. Skaitančius kviečiu mąstyti kritiškai, pertikrinti šaltinius ir patiems domėtis šia tema bei giliau ją suprasti, bet tuo pačiu tikiuosi, kad jums buvo įdomus mano esė, ir gal išmokiau kažko naujo arba priminiau kažką seno.
Šaltiniai:
Brian Klegg „Cracking quantum physics“
https://lt.wikipedia.org/wiki/Kvantin%C4%97_mechanika
https://www.vle.lt/straipsnis/pozitronas/
https://www.vle.lt/straipsnis/kvarkai/
https://lt.wikipedia.org/wiki/Kvantas
https://lt.wikipedia.org/wiki/Max_Planck
https://www.vle.lt/straipsnis/balmerio-formule/
https://lt.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr
https://lt.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger
https://en.wikipedia.org/wiki/Copenhagen_interpretation
https://www.lrt.lt/naujienos/mokslas-ir-it/11/2155481/kvantines-technologijos-puslaidininkiu-tyrimams-ligu-
nustatymui-ir-susisiekimui-gps-blokavimo-salygomis
