Το… λίκνο της επιστήμης: Πώς η κβαντομηχανική εξηγεί τα πάντα (εικόνες)

Το… λίκνο της επιστήμης: Πώς η κβαντομηχανική εξηγεί τα πάντα (εικόνες)
Είναι το λίκνο της σύγχρονης επιστήμης. Η Κβαντομηχανική, η θεωρία που αμφισβητήθηκε όσο καμία άλλη, αποτελεί το εργαλείο που σήμερα μας ωθεί σε νέες, πολύ σημαντικές ανακαλύψεις.

Το 1900 ο Πλάνκ εισήγαγε την έννοια του της κβάντωσης, μέσα από την προσπάθεια του να βρει τύπο για την εκπομπή φωτός. Πέντε χρόνια αργότερα, ο Αϊνστάιν γενίκευσε την ιδέα του Πλάνκ, προτείνοντας πως η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συνίσταται από κβάντα. Αργότερα, ο σπουδαίος φυσικός αρνήθηκε να πιστέψει πως αυτό που είχε προτείνει χαρακτηρίζει ολόκληρο τον μικρόκοσμο. Πως η Κβαντική μηχανική είναι τελικά αυτή που εξηγεί όσα ως τότε ήταν… ανεξήγητα.

Τι είναι η κβαντική θεωρία

Η δομή της ύλης βασάνιζε τους επιστήμονες για πολλές χιλιετίες. Οι αρχαίοι Ελληνες είχαν δομήσει ολόκληρη θεωρία που εξηγούσε, λανθασμένα, τον τρόπο με τον οποίο συντίθεται κάθε τι που υπάρχει στον κόσμο. Μετά από αρκετές χιλιετίες, η θεωρία των 4+1 στοιχείων (νερό, φωτιά, αεράς, γη, αιθέρας) απορρίφθηκε. Τελικά, έπρεπε να φτάσουμε στον 20ο αιώνα, ώστε η κβαντική θεωρία να μας αποκαλύψει τα συνθετικά της ύλης, μετά από τεράστια αμφισβήτηση.

Σύμφωνα με αυτήν, η ύλη αποτελείται από πάρα πολύ μικρά σωματίδια δομής, τα φερμιόνια που χωρίζονται σε κουάρκ και λεπτόνια. Ο συνδυασμός κουάρκ και ηλεκτρονίων, τα οποία ανήκουν στα λεπτόνια, δημιουργούν τα άτομα και ως εκ τούτου την ύλη. Στα λεπτόνια, πλην των ηλεκτρονίων, εντάσσονται τα μιόνια τα ταυ αλλά και τα νετρίνα τους. Κάπως έτσι, από τα άτομα περνάμε στα μόρια και από τα μόρια στον… μακρόκοσμο που μας είναι γνωστός.

Για να περιγράψουν τον τρόπο που αυτά τα ελάχιστα σωματίδια αντιδρούν και συμπεριφέρονται, οι επιστήμονες δημιούργησαν την κβαντική θεωρία. Μια θεωρία που προέκυψε σχεδόν… από ανάγκη, αφού τα πειραματικά δεδομένα την έφεραν στην επιφάνεια. Η κβαντομηχανική συνεπάγεται διάφορα παράξενα αποτελέσματα, όπως για παράδειγμα πως δύο σωματίδια μπορούν να υπάρχουν την ίδια στιγμή σε δύο διαφορετικά σημεία, και για αυτό το λόγο οι επιστήμονες δυσκολεύτηκαν πάρα πολύ να την… χωνέψουν. Σήμερα ωστόσο, αποτελεί την πιο καλά και σταθερά θεμελιωμένη θεωρία στην φυσική. Πολύ σημαντικότερη από την κλασική (νευτώνια) φυσική, αλλά και την κλασική ηλεκτροδυναμική.

Τί είναι το κβάντο

Στα λατινικά η λέξη «quantus» σημαίνει ποσό. Στην φυσική το κβάντο αναφέρεται σε μια μονάδα ποσότητας η οποία είναι αδιάσπαστη. Με αυτήν την έννοια δηλαδή, περιγράφεται το μικρότερο υποπολλαπλάσιο της ύλης και όχι μόνο. Στην περίπτωση του φωτός για παράδειγμα, το κβάντο είναι το φωτόνιο. Δεν υπάρχει κάτι μικρότερο από αυτό. Το φως είναι… φωτόνια. Αντίστοιχα, οι κινήσεις των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου γίνονται σε συγκεκριμένες, ενεργειακές, τροχιές οι οποίες είναι κβαντισμένες. Κάθε ηλεκτρόνιο ανήκει σε μια στιβάδα, η οποία του δίνει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Δεν μπορεί όμως να βρεθεί ανάμεσα σε δύο στιβάδες.

Σκεφτείτε πως η κουζίνα σας έχει 5 ράφια και εσείς θέλετε να τοποθετήσετε ένα ποτήρι σε κάποιο από αυτά. Θα είχε νόημα να το βάλετε ανάμεσα από δύο ράφια; Φυσικά και όχι! Αυτό, αποδείχθηκε πως ισχύει και στον μικρόκοσμο. Ενα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να βρίσκεται όπου θέλει, παρά μόνο σε συγκεκριμένες τροχιές. Φανταστείτε τώρα σε τι κατάσταση θα ήταν η κουζίνα, αν ποτήρια, πιάτα και κάθε τι άλλο, ήταν τυχαία τοποθετημένα. Κάπως έτσι, αντιλαμβανόμαστε την… τάξη που βάζει η κβαντική μηχανική στον κόσμο μας.

Παρόλα αυτά, τα ηλεκτρόνια δεν είναι… καταδικασμένα να τρέχουν στην ίδια τροχιά. Με ένα μικρό ενεργειακό «boost» μπορούν να πηδήσουν στην επόμενη τροχιά, ακαριαία. Χωρίς να βρεθούν σε ενδιάμεσο στάδιο. Φανταστείτε πως οδηγείται ένα «κβαντωμένο» αμάξι που μπορεί να τρέξει με 5, 20 και 80 χιλιόμετρα. Αν πατήσετε το γκάζι, τότε από 5kh/h κατευθείαν ανεβαίνετε στα 20 km/h. Χωρίς καν να νιώσετε την επιτάχυνση! Το γεγονός ότι οι περισσότεροι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να αποδεχτούν την θεωρία, αυτή τη στιγμή φαίνεται ακόμα πιο λογικό…

Κβαντική μηχανική VS Κλασική μηχανική

Η Κλασική μηχανική, μπορεί κανείς να πει, ότι περιγράφει όσα είναι… φυσιολογικά. Αυτά που αποδεικνύουν οι νόμοι του Νεύτωνα, είναι όσα ο κοινός νους αντιλαμβάνεται ενστικτωδώς. Για παράδειγμα, αν χτυπήσουμε μια μπάλα μπιλιάρδου γνωρίζουμε, περίπου, τον τρόπο να κινηθεί. Αν ξέρουμε τα δεδομένα (βάρος, δύναμη κλπ.), τότε η Κλασική φυσική μας περιγράφει επακριβώς την κίνηση της. Τι όμως συμβαίνει στον μικρόκοσμο της μπάλας; Πώς κινούνται τα μεμονωμένα άτομα που την συνθέτουν;

Αυτό είναι κάτι που η κλασικοί νόμοι δεν μπορούν να περιγράψουν. Για αυτό το λόγο δημιουργήθηκαν οι νόμοι της Κβαντικής μηχανικής. Κάπου εκεί εμφανίζονται οι πιθανότητες. Τα άτομα μπορεί να κινηθούν προς διαφορετικές κατευθύνσεις, με ισόνομες πιθανότητες. Μάλιστα κάτι τέτοιο είχε ωθήσει τον Αϊνστάιν να δηλώσει το περίφημο «ο θεός δεν παίζει ζάρια», εκφράζοντας την έντονη αμφιβολία του για την εγκυρότητα της Κβαντομηχανικής. Ωστόσο, ένας ακόμα εντυπωσιακός νόμος έρχεται να συνδέσει μικρόκοσμο και μακρόκοσμο. Οταν ο αριθμός των ατόμων είναι μεγάλος, όπως στην περίπτωση της μπάλας, Κλασική και Κβαντική μηχανική συνδέονται, με τον αρχή της αντιστοιχίας.

Οι κινήσεις των ατόμων, παρότι άναρχες, τελικά συγκλίνουν προς μια κατεύθυνση, η οποία μπορεί να προβλεφθεί από την Κλασική μηχανική. Ουσιαστικά δηλαδή, η Κλασική αποτελεί μια (οριακή) υποπερίπτωση της Κβαντικής μηχανικής. Στις πιθανότητες αποδεικνύεται πως όταν έχουμε μεγάλο αριθμό μεταβλητών, αυτές τείνουν να «κανονικοποιηθούν», δίνοντας προβλέψιμα αποτελέσματα. Οταν όμως δεν υπάρχει επαρκής αριθμός για την κανονικοποίηση, τότε η Κλασική μηχανική αδυνατεί να δώσει κάποιο αποτέλεσμα.

Τα… παράξενα της Κβαντικής Θεωρίας

Το πρώτο και χαρακτηριστικότερο αποτέλεσμα της Κβαντικής Θεωρίας είναι η πασίγνωστη διττή φύση των θεμελιωδών στοιχείων. Οπως πρώτος απέδειξε ο Πλάνκ το 1900, το φως συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο αλλά και σαν κύμα. Παρόλα αυτά, ένα σωματίδιο πρέπει, σε μια συγκεκριμένη στιγμή, να λειτουργεί είτε ως σώμα είτε ως κύμα. Αυτή ήταν μια ανακάλυψη που τάραξε την επιστημονική κοινότητα. Κάθε πράγμα πρέπει να έχει και μια ταυτότητα. Μια συγκεκριμένη συμπεριφορά, που εξηγείται από συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Κι όμως, όχι.

Τα αποτελέσματα της εργασίας του Πλάνκ έφεραν στους επιστήμονες την… αβεβαιότητα. Πλέον δεν ήξεραν πως να εξηγήσουν τις ιδιότητες, για παράδειγμα, του φωτός. Μετά από 27 χρόνια, ήρθε ένα εξίσου εντυπωσιακό αποτέλεσμα να επιβεβαιώσει την… αβεβαιότητα. Ο Χάιζενμπεργκ απέδειξε πως είναι αδύνατο να υπολογιστεί σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή η θέση και η ταχύτητα ενός υποατομικού σωματιδίου. Πρέπει πάντα να περιοριζόμαστε στην εύρεση μιας εκ των δύο. Κάπως έτσι πήρε το όνομα της η γνωστή «Αρχή της Απροσδιοριστίας» ή και «Αρχή της Αβεβαιότητας».

Οσα παράξενα όμως και να προκύψουν από την Κβαντική Θεωρία, το σίγουρο είναι πως τα πειράματα αποδεικνύουν σαφέστατα την εγκυρότητα της. Θεμελιωμένη όσο καμία άλλη, η Κβαντομηχανική αποτελεί το σημαντικότερο αντικείμενο μελέτης, για το επόμενο βήμα στην επιστήμη. Τελικά, μάλλον ο θεός… ξέρει πολύ καλά πώς να παίζει ζάρια.

Πηγή: iefimerida.gr