Czytaj dalej

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 zwy­czaj­nie 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. Co to kwant?

Kwantowanie Ogórka.

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 energią 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.

Przeskok kwantowy 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*. 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.

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.

* Przykładowo spin (moment pędu) poszczególnych cząstek różni się zawsze o “połówkę”. Dlatego spotykamy w przyrodzie bozon Higgsa o spinie równym 0, elektron czy proton o spinie 1/2, gluon o spinie 1; ale nie znajdziemy nigdzie cząstki charakteryzującej się niestandardowym spinem, dajmy na to, 1/10 lub 3/4.

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.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.