Jonas Grigas. Kvantinės keistenybės

Autorius yra akademikas, profesorius, habil. fizinių mokslų daktaras, tikrasis LMA narys

Praeitame straipsnelyje rašiau apie žmonių valdomą netobulą makropasaulį. Dabar pažvelkime į nuo žmonių nepriklausomą mikropasaulį. Žvaigždes ir mus sudaro vienodi atomai, ir kiekvieno jų gelmėje šniokščia dalelių vėjas. Jo nematome ir negirdime, bet jį apibūdina kvantinė fizika. Ji leidžia pažvelgti į Visatos ir mūsų esmę. Fizika yra neįtikėtina, kol ją supranti. Kas supranta – tam ji triviali. Fizikas yra tik atomo būdas pažvelgti į save.
Kvantinis pasaulis

Albertas Einšteinas gavo Nobelio premiją už įrodymą, kad energija yra kvantuota. Iš čia kilo pavadinimas kvantinė fizika (KF). Kvantas yra mažiausias leistinas veiksmas Visatoje – Planko konstanta (6,626×10 laipsnyje minus 34-me Džoulių padaugintų iš sekundės) padauginta iš bangomis sklindančios energijos dažnio. Ji pavadinta kvantinės fizikos krikštatėvio Makso Planko vardu.

Medžiaga gali būti banga ir dalelė

J. J. Thomsonas 1906 metais gavo Nobelio premiją už atradimą, kad elektronai yra dalelės. Jo sūnus Georgas 1937 m. gavo Nobelio premiją už įrodymą, kad elektronai yra bangos. Šis bangos ir dalelės dvilypumas yra kvantinės fizikos kertinis akmuo. Jis tinka ir šviesai, ir medžiagos dalelėms. Kartais šviesa elgiasi kaip elektromagnetinė banga, kartais kaip dalelės, vadinamos fotonais. Teleskopas veikia kaip kibiras fotonams rinkti. Fotonams atsitrenkus į objektą, šviesa jį spaudžia. Todėl Saulės burėmis ji varo erdvėlaivius.

Objektai vienu metu gali būti dviejose vietose
Kvantiniai objektai vienu metu gali būti keliose būsenose. Dėl to kvantinė fizika yra susijusi su tikimybėmis.

KF padeda pažinti žvaigždes

Danų fizikas Nilsas Boras parodė, kad elektronų orbitos atomų viduje yra kvantuotos ir vadinamos energijos lygmenimis. Kai elektronas nukrenta iš didesnės energijos lygmens į mažesnės, jis išspinduliuoja fotoną. Kai elektronas sugeria šviesos dalelę, jis pakyla į didesnės energijos lygmenį. Šis efektas paaiškina iš ko susideda žvaigždės, nes suskaidę jų šviesą į vaivorykštės spektrą, matome trūkstamas energijas, t. y. spalvas. Skirtingi cheminiai elementai turi skirtingus energijos lygmenų tarpus, todėl iš trūkstamų spalvų galima nustatyti Saulės ir kitų žvaigždžių sudedamąsias dalis.

KF paaiškina Saulė šviesą

Saulė branduolių sintezės būdu gamina energiją. Procese dalyvauja protonai – teigiamai įelektrintos atomo dalelės. Tačiau jų identiški krūviai stumia vieni kitus, tarsi būtų siena tarp protonų. Ji juos atsiskiria: nebūtų jokios sintezės, jokios Saulės šviesos. Tačiau jei protonai yra bangos, jos prasiskverbia pro sieną ir įvyksta sintezė. Šis efektas vadinamas kvantiniu tuneliavimu.

KF stabdo mirusių žvaigždžių griūtį

Sintezė Saulėje sustos ir žvaigždė mirs. Gravitacija nugalės, bet Saulė žlugs ne amžinai. Jai mažėjant, medžiaga tankėja. Įsigalioja KF Pauli principas, kad dalelėms draudžiama egzistuoti toje pačioje kvantinėje būsenoje. Gravitacija bando tai padaryti, bet susiduria su pasipriešinimu, vadinamu degeneraciniu slėgiu. Griūtis sustoja ir susidaro naujas objektas, vadinamas baltąja nykštuke. Jei baltoji nykštukė priartėja prie 1,4 Saulės masės, ji sukelia susiliejimo bangą, kuri susprogdina ją į gabalus. Šio sprogimo, vadinamo supernova, ryškis gali pranokti visą galaktikos šviesą.

KF paaiškina juodųjų bedugnių garavimą

Kvantinis Heisenbergo neapibrėžtumo principas sako, kad neįmanoma vienu metu žinoti dviejų sistemos savybių. Kuo tiksliau žinome vieną, tuo mažiau kitą. Tai taikoma dalelės impulsui ir padėčiai bei energijai ir laikui. Tai panašu į paskolos paėmimą. Galite pasiskolinti daug pinigų trumpam arba šiek tiek ilgesniam laikui. Jei daug energijos pasiskolinama iš gamtos, atsiranda virtualios dalelės, kurios išnyks, neįvykdę paskolos įsipareigojimų. Britų fizikas Stivenas Hokingas manė, kad šis procesas vyksta ties juodosios bedugnės riba, kai viena dalelė išspinduliuojama, kita yra sugeriama. Todėl juodosios bedugnės garuoja, nes negrąžina visos pasiskolintos sumos.

KF paaiškina Visatos sandarą

Visatos kilmės teorija kol kas yra Didysis sprogimas. Devintajame dešimtmetyje į ją įtraukta infliacija. Per pirmąją trilijono trilijonosios sekundės dalį kosmosas išsiplėtė 10 laipsnyje 78-me kartus. Ankstyvoje Visatoje vyravo kvantiniai virpesiai. Dėl infliacijos Visatai sparčiai augant šie virpesiai išnyko. Jų energija susitelkė į kai kurias sritis ir veikė kaip sėklos, aplink kurias kaupėsi medžiaga, sudarydama dabar stebimas galaktikas.

Tai daugiau nei baisu

Jei dalelių kvantinės būsenos susietos, paveikus vieną, kita pasikeičia akimirksniu net jei dalelės yra priešingose Žemės ar Visatos pusėse. Informacija apie dalelių sąveiką sklinda greičiau už šviesą, o Einšteinas to nesuprato. Jis dalelių kvantinę sietį (žiūr. fb 2022-10-05) pavadino „baisiu veiksmu per atstumą.“ Kvantinė sietis yra kelrodis, rodantis kažką esminio Visatoje, kad kvantinis pasaulis yra grynesnė Visatos forma nei ta, kurią matome, ir paklūsta dėsniams, kuriuos galime paaiškinti. Kvantinė fizika suteikia mums galimybę kitaip pamatyti Visatą.

Šį dalelių „baisų veiksmą“ – kvantinę sietį mokslininkai pritaikė kvantiniuose kompiuteriuose, pakeisdami dvejetainius skaičiavimo bitus kiubitais.

Kiubitai egzistuoja dalelių kvantinių būsenų superpozicijoje. Dviejų kiubitų sistemoje saugomos 4 galimos informacijos reikšmės, o 20 kiubitų sistemoje – daugiau nei milijonas. Vyksta lenktynės dėl kvantinio skaičiavimo. Sunku numatyti, kaip ir kada jis pakeis kompiuterius ir elektroniniu būdu susietą pasaulį.