Lumea celor foarte, foarte mici este un ținut al ciudățeniei. Moleculele, atomii și particulele lor constitutive nu și-au dezvăluit cu ușurință secretele oamenilor de știință care s-au luptat cu fizica atomilor la începutul secolului al XX-lea. Drama, frustrarea, furia, nedumerirea și căderile nervoase au abundat și ne este greu acum, un secol mai târziu, să înțelegem ce era în joc. Ceea ce sa întâmplat a fost un proces continuu de demolare a viziunii asupra lumii. S-ar putea să trebuiască să renunți să mai crezi tot ce ai crezut că este adevărat despre ceva. În cazul pionierilor fizicii cuantice, asta însemna schimbarea înțelegerii lor asupra regulilor care dictează modul în care se comportă materia.
Energia stringurilor
În 1913, Bohr a conceput un model pentru atom care semăna oarecum cu un sistem solar în miniatură. Electronii s-au deplasat în jurul nucleului atomic pe orbite circulare. Bohr a adăugat câteva răsturnări de situație modelului său - răsturnări care le-au dat un set de proprietăți ciudate și misterioase. Întorsăturile au fost necesare pentru ca modelul lui Bohr să aibă putere explicativă – adică pentru ca acesta să poată descrie rezultatele măsurătorilor experimentale. De exemplu, orbitele electronilor erau fixate ca șinele de cale ferată în jurul nucleului. Electronul nu ar putea fi între orbite, altfel ar putea cădea în nucleu. Odată ce a ajuns la cea mai de jos treaptă din scara orbitală, un electron a rămas acolo, dacă nu a sărit pe o orbită mai înaltă.
Claritatea despre motivul pentru care s-a întâmplat acest lucru a început să vină cu ideea lui de Broglie că electronii pot fi văzuți atât ca particule, cât și ca unde. Această dualitate val-particulă a luminii și materiei a fost surprinzătoare, iar principiul incertitudinii al lui Heisenberg ia dat precizie. Cu cât localizați mai precis particula, cu atât mai puțin știți cât de repede se mișcă. Heisenberg a avut teoria sa despre mecanica cuantică, un dispozitiv complex pentru a calcula rezultatele posibile ale experimentelor. A fost frumos, dar extrem de greu de calculat lucrurile cu care.
Puțin mai târziu, în 1926, fizicianul austriac Erwin Schrödinger a avut o idee uriașă. Ce se întâmplă dacă am putea scrie o ecuație pentru ceea ce face electronul în jurul nucleului? Deoarece de Broglie a sugerat că electronii se comportă ca undele, aceasta ar fi ca o ecuație de undă. A fost o idee cu adevărat revoluționară și ne-a reîncadrat înțelegerea mecanicii cuantice.
În spiritul electromagnetismului lui Maxwell, care descrie lumina ca câmpuri electrice și magnetice ondulate, Schrödinger a urmat mecanica ondulatorie care ar putea descrie undele de materie ale lui de Broglie. Una dintre consecințele ideii lui de Broglie a fost că, dacă electronii erau unde, atunci era posibil să se explice de ce erau permise numai anumite orbite. Pentru a vedea de ce este adevărat, imaginați-vă o sfoară ținută de două persoane, Ana și Bob. Ana o smuci repede, creând un val îndreptându-se spre Bob. Dacă Bob face același lucru, un val se mișcă spre Ana. Dacă Ana și Bob își sincronizează acțiunile, apare o undă staționară, un model care nu se mișcă la stânga sau la dreapta și care prezintă un punct fix între ei numit nod. Dacă Ana și Bob își mișcă mâinile mai repede, vor găsi noi valuri staționare cu două noduri, apoi trei noduri și așa mai departe. De asemenea, puteți genera unde staționare prin ciupirea unei coarde de chitară cu forțe diferite, până când găsiți unde staționare cu un număr diferit de noduri. Există o corespondență unu-la-unu între energia undei staționare și numărul de noduri.
Moștenirea Born
De Broglie și-a imaginat electronul ca o undă staționară în jurul nucleului. Ca atare, doar anumite modele de vibrații s-ar potrivi într-un cerc închis - orbitele, fiecare caracterizată de un număr dat de noduri. Orbitele permise au fost identificate după numărul de noduri ale undei de electroni, fiecare cu energia sa specifică. Mecanica ondulatorie a lui Schrödinger a explicat de ce imaginea lui de Broglie a electronului ca undă staționară a fost precisă. Dar a mers mult mai departe, generalizând această imagine simplistă în trei dimensiuni spațiale.
Într-o succesiune de șase lucrări remarcabile, Schrödinger și-a formulat noua mecanică, le-a aplicat cu succes atomului de hidrogen, a explicat cum ar putea fi aplicate pentru a produce răspunsuri aproximative la situații mai complicate și a dovedit compatibilitatea mecanicii sale cu cea a lui Heisenberg.
Soluția ecuației lui Schrödinger a fost cunoscută sub numele de funcție de undă. Inițial, el s-a gândit că descrie unda de electroni în sine. Acest lucru a fost în acord cu noțiunile clasice despre modul în care valurile evoluează în timp, supunând determinismului. Având în vedere poziția și viteza lor inițială, putem folosi ecuația lor de mișcare pentru a prezice ce se va întâmpla în viitor. Schrödinger era deosebit de mândru de acest fapt - că ecuația sa a restabilit o oarecare ordine în mizeria conceptuală cauzată de fizica atomică. Nu i-a plăcut niciodată ideea „săriturii” electronului între orbite discrete.
Cu toate acestea, Principiul Incertitudinii al lui Heisenberg a ruinat această interpretare deterministă a funcției de undă. În lumea cuantică, totul era neclar și era imposibil de prezis cu exactitate evoluția în timp a electronului, fie el o particulă sau undă. Întrebarea a devenit: Atunci ce înseamnă această funcție de undă?
Fizicienii s-au pierdut. Cum ar putea fi reconciliată dualitatea undă-particulă dintre materie și lumină și Principiul Incertitudinii al lui Heisenberg cu frumoasa (și continuă) mecanică ondulatorie a lui Schrödinger? Din nou era nevoie de o idee radical nouă și din nou cineva a avut-o. De data aceasta a fost rândul lui Max Born, care, pe lângă faptul că este unul dintre principalii arhitecți ai mecanicii cuantice, a fost și bunicul starului rock din anii 1970, Olivia Newton-John.
Born a propus, în mod corect, că mecanica ondulatorie a lui Schrödinger nu a descris evoluția undei de electroni, ci probabilitatea de a găsi electronul în cutare sau cutare poziție în spațiu. Rezolvând ecuația lui Schrödinger, fizicienii calculează modul în care această probabilitate evoluează în timp. Nu putem prezice cu certitudine dacă electronul va fi găsit aici sau acolo. Putem da probabilități ca acesta să fie găsit aici sau acolo doar odată ce se face o măsurătoare. În mecanica cuantică, probabilitatea evoluează determinist în funcție de ecuația de undă, dar electronul în sine nu. Același experiment, repetat de multe ori în aceleași condiții, poate da rezultate diferite.
Suprapunerea cuantică
Acest lucru este destul de ciudat. Pentru prima dată, fizica are o ecuație care nu descrie comportamentul a ceva fizic aparținând unui obiect - cum ar fi poziția, impulsul sau energia unei mingi sau planete. Funcția de undă nu este ceva real în lume. (Cel puțin, nu este așa pentru acest fizician. Vom aborda această problemă greoaie în curând.) Este pătrat —, valoarea sa absolută, deoarece este o cantitate complexă — dă probabilitatea de a găsi o anumită particulă într-un anumit punct din spațiu o dată. se face o masuratoare. Dar ce se întâmplă înainte de măsurare? Nu putem spune. Ceea ce spunem este că funcția de undă este o suprapunere a mai multor stări posibile pentru electron. Fiecare stare reprezintă o poziție în care electronul poate fi găsit imediat ce se face o măsurătoare.
O imagine posibilă utilă (toate sunt dubioase) este să te imaginezi într-o cameră întunecată, mergând spre un perete unde sunt atârnate multe poze. Luminile se aprind atunci când ajungi într-o anumită locație de pe perete, în fața unui tablou. Desigur, știi că ești o singură persoană care merge spre unul dintre tablouri. Dar dacă ai fi o particulă subatomică precum un electron sau un foton, ar exista multe copii ale ta, mergând spre perete simultan. Te-ai afla într-o suprapunere a mai multor voștri și doar o copie ar ajunge pe perete și ar face ca luminile să se aprindă. Fiecare copie a ta ar avea o probabilitate diferită de a ajunge la perete. Repetând experimentul de mai multe ori, aceste probabilități diferite sunt descoperite.
Toate copiile care se mișcă în camera întunecată sunt reale sau este doar cea care lovește peretele și aprinde luminile? Dacă doar acela este real, cum de ar fi putut și alții să lovească de perete? Acest efect, cunoscut sub numele de suprapunere cuantică, este poate cel mai ciudat dintre toate. Atât de ciudat și fascinant încât merită un articol întreg.
