Ogórkowe pytania (I): Czym są te całe kwanty?

Pytanie: Wszedłem kiedyś przypadkiem na ten blog, przejrzałem kilka tekstów, ale w ogóle nie wiem od czego zacząć. Czym są “kwanty” i cała ta “mechanika kwantowa”? Słyszałem te terminy wielokrotnie w różnych kontekstach, ale nikt nie zadał sobie trudu, żeby po ludzku wyjaśnić ich znaczenie.

Rzeczywiście, już jakiś czas temu ze wstydem uświadomiłem sobie, że choć na Kwantowo pojawiło się kilkadziesiąt tekstów omawiających różne aspekty oraz interpretacje mechaniki kwantowej, to chyba nigdy nie sięgnąłem do samego początku. To niedobrze, ponieważ słowo “kwant” stało się wręcz synonimem czegoś dziwacznego i niepojętego, co prowadzi do wielu nieporozumień. A przecież mowa o jednym z fundamentów współczesnej fizyki, wykorzystywanym w otaczających nas na co dzień technologiach.

Do rzeczy człowieku. Interesuje mnie fizyka kwantowa dla początkujących. Bardzo początkujących. Zacznijmy więc od samej podstawy: co to kwant?

Fizyka kwantowa dla początkujących

Kwant to inaczej porcja, kawałek, cząstka, pakiet. Jednak porcjowanie w interesującym nas kontekście ma szczególny charakter. Na co dzień kroimy pizzę, tort czy… ogórka, ale każdy fragment pizzy, kawałek tortu czy plaster ogórka możemy nadal ćwiartować, jeśli tylko mamy na to ochotę.

W świecie subatomowym sprawy mają się inaczej. Istnieją pewne wielkości, których nijak nie da się już bardziej podzielić.

Najbardziej pospolity przykład tego, o czym rozprawiamy stanowi foton. Zresztą, to właśnie od niego zaczęła się cała kwantowa rewolucja, zainicjowana 120 lat temu przez legendę niemieckiej fizyki, Maxa Plancka. Ten czcigodny uczony nie używał jeszcze pojęcia fotonu, ale przyjął w swojej pracy, że światło i każdy inny przejaw promieniowania, powinno być emitowane w ściśle określonych porcjach. Było to konieczne dla sporządzenia poprawnego opisu pewnego problemu fizycznego, dotyczącego wypromieniowywania ciepła, którego nikt nie potrafił wyjaśnić, traktując światło wyłącznie w kategorii ciągłej fali.

Ale dlaczego ktoś miałby traktować światło jako falę?

Bo na to wskazywały wcześniejsze doświadczenia. Najbardziej znane poznajemy już w szkole: eksperyment z dwiema szczelinami, zaproponowany przez Thomasa Younga. Brytyjski geniusz (niesamowita postać, zachęcam do poznania jego dokonań) pokazał, że światło przepuszczone przez odpowiednią przeszkodę ulega naprzemiennemu wygaszaniu i wzmacnianiu, analogicznie do każdej typowej fali. W efekcie, na ekranie stojącym za przeszkodą z dwiema szczelinami, światło zarysowuje szereg prążków nazywanych przez fizyków wzorem interferencyjnym. Czegoś takiego nie mogły “narysować” byle cząstki.

Wzór interferencyjny, typowy dla fali
Wzór interferencyjny typowy dla fal.

Jednak, żeby było ciekawiej inne eksperymenty przeprowadzane w kolejnych dekadach, prowadziły do odwrotnych wniosków i przedstawiały światło już jako strumień cząstek.

To w końcu jest tą falą, czy nie?

Możemy debatować o tym wiele godzin i nie dojść do żadnego konstruktywnego wniosku, albo przyjąć, że zależnie od okoliczności światło raz potrafi zachować się podobnie do fali na wodzie, a raz do serii pocisków karabinowych. Ten dualizm korpuskularno-falowy pozostaje wizytówką mikroświata i lepiej do niego przywyknąć, zwłaszcza, że dotyczy nie tylko fotonów.

Z ciekawości. Jeżeli potraktujemy światło jako strumień fotonów, to muszą być one chyba bardzo małe? Żarówka w moim pokoju powinna rozsiewać miliony cząstek.

Raczej tryliony i to w każdej sekundzie. Ale to tak na marginesie.

Wróćmy do wątku kwantów Plancka. Zgodnie z jego tezą, energia pojedynczego pakietu światła powinna być równa iloczynowi częstotliwości fali świetlnej i pewnej podstawowej jednostki, nazywanej obecnie stałą Plancka i oznaczanej literą h (lub ħ w zredukowanej wersji). To jedna z fundamentalnych wartości przyrody i można ją napotkać w większości równań opisujących fizykę małych obiektów.

Równanie Plancka na energię kwantu

Będę jednak podejrzliwym warzywem. Może pan Planck akurat trafił ze wzorem, który z jakiegoś powodu dobrze rozwiązywał jeden problem, ale tak naprawdę wcale nie opisuje prawdziwej przyrody. Może światło jest ciągłą falą, tyle, że dla matematycznej wygody warto je podzielić na zmyślone cząstki?

Podobne wątpliwości trapiły łysą głowę samego Plancka, jednak zaledwie kilka lat później pojawiły się kolejne koncepcje czerpiące z jego odkrycia. Podam jeden, dotyczący funkcjonowania atomu.

Wszyscy wiemy, że atom składa się z dodatnio naładowanego jądra, otoczonego przez chmurę elektronów o ładunku ujemnym. Wiele osób wciąż upatruje w tej strukturze jakichś analogii do układu planetarnego, gdzie planety orbitują wokół masywnej gwiazdy. To obraz mocno mylący, żeby nie powiedzieć fałszywy. Pomijając już, że żadna cząstka nie przypomina planety (choćby przez wspomniany dualizm korpuskularno-falowy), elektrony potrafią wykonać sztuczkę, jakiej nigdy nie dokonają żadne ciała niebieskie.

Kiedy podgrzejemy atom, dostarczając mu odpowiedniej dawki energii, elektron wzniesie się na wyższą orbitę. Mówimy, że atom znajduje się wtedy w stanie wzbudzonym. Znowuż, kiedy elektron wraca na swoje pierwotne miejsce musi oddać energię otoczeniu, emitując foton. Trik polega na tym, że elektron nie osuwa się płynnie w kierunku jądra, lecz dokonuje natychmiastowego przeskoku. To tak, jak gdyby satelita przebywający na wysokiej orbicie okołoziemskiej błysnął i nagle pojawił się bliżej planety. Dla nas brzmi to niedorzecznie, ale w rzeczywistości subatomowej to normalna sprawa, właśnie przez jej kwantowy charakter. Dlatego mówimy o skoku kwantowym.

Skok kwantowy do jedna z podstaw mechaniki kwantowej
Proste zilustrowanie “skoku kwantowego” dokonywanego przez elektron wewnątrz atomu.

Skąd naukowcy wiedzą o “skaczących” elektronach?

Eksperymentatorzy doprowadzają atom do stanu wzbudzonego dostarczając mu odpowiedniego impulsu np. przy użyciu lasera. Kiedy po czasie elektron spada na niższe szczeble “drabiny” energetycznej, wypuszcza pojedyncze fotony. W praktyce są to słabiutkie błyski, które pozostawiają ślad na specjalnym światłoczułym materiale. Kiedy fizycy po raz pierwszy przeprowadzili tego rodzaju doświadczenie, ze zdumieniem zauważyli na kliszy serię cieniutkich i wyraźnie oddalonych od siebie kolorowych pasków. Nie rozumieli dlaczego widmo emisyjne przybiera akurat taką formę. Dopiero wprowadzenie stałej Plancka do równań opisujących atom rozwiązało zagadkę. Elektron musi pozostawiać ślady w postaci ostrych linii, ponieważ oddaje i pobiera energię w konkretnych, minimalnych porcjach i nie ma prawa przybrać stanów pośrednich.

Linie emisyjne wodoru.
Widoczne paski to ślady fotonów emitowanych przez elektron w atomie wodoru. Jest to sygnatura skoków kwantowych.

Czyli upraszczając, teoria kwantów to teoria krojenia światła.

To teoria krojenia wszystkiego! Kwantem będzie najmniejsza dająca się wyodrębnić cząstka każdego pola kwantowego (np. przywołany foton, medialny bozon Higgsa lub hipotetyczny grawiton), a nawet najmniejsza porcja określonej wielkości fizycznej[1]. Rzeczywistość w najmniejszej skali po prostu nie lubi wartości pośrednich. Jak to powiedział fizyk George Gamow: “Natura nakazuje nam wypić duże piwo, albo nic”.

I to jest ta słynna mechanika kwantowa?

Raczej teoria kwantowa, jeśli chcemy być bardzo poprawni.

Przecież właśnie to powiedziałem.

Nie do końca, choć dla uproszczenia często traktujemy te pojęcia jako synonimy. Teoria kwantów uczy nas, że prawdopodobnie niczego we wszechświecie nie możemy dzielić bez końca, że fizyczna rzeczywistość pozostaje na swój sposób “ziarnista”. Mechanika kwantowa idzie o krok dalej. Tak jak klasyczna mechanika sprowadza się do opisywania ruchu dużych obiektów – spadających jabłek, jeżdżących samochodów, orbitujących planet – tak mechanika kwantowa dotyczy ruchu cząstek i atomów, z uwzględnieniem całego bagażu teorii kwantów. A jest to ruch zupełnie inny niż to, z czym mamy do czynienia w życiu codziennym.

Mechanika klasyczna a mechanika kwantowa
Krótka ściągawka. Mechanika klasyczna i kwantowa dla początkujących.

Jak już zdążyłem się przekonać…

Porcjowanie światła i skoki kwantowe to tylko niewinny wstęp do pełnokrwistej mechaniki kwantowej, ukształtowanej w kolejnych dekadach.

Wydarzenia toczyły się wtedy lawinowo. Najpierw pewien francuski arystokrata wysunął zaskakującą hipotezę, że skoro fala świetlna może zachowywać się jak strumień cząstek, to cząstki (jak elektron) mogą wykazywać cechy fali. Zaraz później austriacki miłośnik kotów opracował eleganckie równanie falowe dokładnie opisujące zachowanie obiektów subatomowych, a jego niemiecki kolega zinterpretował je jako fale prawdopodobieństwa. Wreszcie inny Niemiec ukuł zasadę nieoznaczoności, wedle której jednoczesne ustalenie położenia i pędu cząstki jest fizycznie niemożliwe. Zasugerował tym samym, że zdobywanie informacji o jednej wartości w pewnym sensie wymazuje wiedzę o drugiej.

Zgubiłem się mniej więcej na drugim zdaniu.

Każde z powyższych zagadnień to materiał na osobną książkę. Niektóre spróbujemy rozgryźć w kolejnych tekstach, inne wymagają nieco więcej wysiłku. Jednak mam nadzieję, że nawet takie podstawy podstaw mogą pomóc w zrozumieniu dwóch rzeczy. Po pierwsze, czy nam się to podoba, czy nie, w świecie najmniejszych obiektów obowiązują oryginalne reguły gry, czasem sprzeczne z ludzką intuicją i fizyką klasyczną. Po drugie, mimo wszystko nie mówimy o żadnej “magii”, lecz o rozległej, sprawdzonej i stosowanej teorii naukowej. To dość ważne, ponieważ najróżniejsi pseudonaukowcy i krętacze coraz śmielej wykorzystują towarzyszącą fizyce kwantowej aurę tajemniczości, do uzasadniania szemranych usług z zakresu ezoteryki, samouzdrawiania, duchowego coachingu i innych bzdur.

Powtórzmy więc, że kwanty to specyficznie rozumiane porcje, natomiast mechanika kwantowa po prostu stara się opisać zachowanie cząstek i atomów. To czysta fizyka, tyle, że w ekstremalnie małej skali.

Powyższy tekst stanowi wstęp do nowego cyklu “Ogórkowe pytania”. Ogórek jest tu oczywiście tylko metaforą czytelnika kompletnie zielonego w danym temacie, ale na tyle ciekawskiego aby wyrażał wątpliwości i szukał odpowiedzi. Mam nadzieję, że dzięki niskiemu progowi wejścia, seria pozwoli popularyzować wiedzę również wśród najmłodszych oraz tych, którzy zawsze uważali fizykę za dzieło demonów.

[+]
Ogórkowe pytania (IV): Co łączy masę i energię? Jak światło może rozproszyć światło? Polacy, nie gęsi… 7 polskich śladów w kosmosie