De ce e lumea atomilor atât de ciudată?
Când cobori la mărimea atomilor, regulile de zi cu zi nu mai merg. Sună a magie. E de fapt cea mai bine verificată teorie din fizică, iar telefonul tău funcționează datorită ei.
Energia vine în pachețele
În 1900, fizicianul german Max Planck a propus o idee ciudată: un corp fierbinte nu dă lumină oricât de puțin, ca apa dintr-un robinet, ci în pachețele minuscule de energie. Le-a numit cuante.
În 1905, Einstein a arătat că și lumina e făcută din astfel de pachețele, numite azi fotoni. De aici vine numele: fizica cuantică.
Einstein a folosit fotonii ca să explice efectul fotoelectric: lumina care cade pe un metal poate smulge electroni din el, dar doar dacă fiecare foton are destulă energie. Contează culoarea luminii, nu cât de puternică e. Pentru explicația asta, nu pentru relativitate, a primit Premiul Nobel.
Particulă și undă în același timp
Fotonii și electronii se poartă uneori ca niște bile mici, alteori ca niște unde. Nu sunt nici bile, nici valuri: sunt altceva, pentru care n-avem un cuvânt din viața de zi cu zi.
Cel mai cunoscut experiment trimite electroni, unul câte unul, spre un perete cu două fante subțiri. Dacă ar fi bile, pe ecranul din spate ar apărea două dungi. Apar însă multe dungi, ca atunci când două unde se întâlnesc și se adună sau se anulează.
Partea și mai ciudată: dacă pui un aparat care să afle prin ce fantă trece fiecare electron, dungile multe dispar. Faptul că măsori schimbă rezultatul. Fizicianul Richard Feynman spunea că experimentul ăsta conține tot misterul fizicii cuantice.
În 1989, o echipă japoneză a arătat filmat cum apar dungile: fiecare electron lasă un singur punct pe ecran, iar dungile se formează abia după mii de puncte. Fizica cuantică nu spune unde va cădea un electron, ci doar cât de probabil e fiecare loc.
Werner Heisenberg a arătat în 1927 că nu poți ști în același timp, oricât de precis, și unde e o particulă, și cât de repede merge. Nu din cauza aparatelor slabe, ci pentru că așa e natura. Se numește principiul de nedeterminare.
Superpoziție, pisici și tuneluri
O particulă poate fi într-un amestec de stări până când e măsurată. Se numește superpoziție. Comparația cu o monedă care se învârte pe masă, nici cap, nici pajură, ajută, dar e o simplificare: moneda are o față, doar că n-o vedem încă, pe când particula chiar nu are încă un singur răspuns.
În 1935, fizicianul Erwin Schrödinger a imaginat o pisică închisă într-o cutie, a cărei soartă depinde de o particulă. A vrut să arate cât de absurd ar fi ca regulile cuantice să se aplice la lucruri mari. A fost doar un experiment de gândire.
Efectul tunel: o minge aruncată în zid ricoșează. Un electron are însă o șansă mică să apară de partea cealaltă a unei bariere, fără s-o spargă. Fără efectul tunel, nucleele din Soare s-ar lipi mult mai greu, iar Soarele n-ar străluci cum știm.
Dacă ți se pare că nu înțelegi, ești în companie bună. Fizicienii știu să calculeze extrem de precis ce se întâmplă. Ce înseamnă, de fapt, încă discută.
Fapt sau legendă?
„Schrödinger a închis o pisică adevărată într-o cutie.”
„Einstein a primit Premiul Nobel pentru teoria relativității.”
„Fără fizica cuantică n-ar exista telefoanele de azi.”
Experiment: dungile dintre degete
Nu se știe încă
Fizica cuantică prezice rezultatele cu o precizie uimitoare, dar nu spune limpede ce se întâmplă în clipa măsurării. Unii fizicieni cred că rezultatul se alege atunci, la întâmplare. Alții cred că toate variantele se întâmplă, în lumi separate. Alții au alte idei. După aproape o sută de ani, nu s-au pus de acord.
Testul lui Kokodel
- Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics, vol. III, cap. 1: „Quantum Behavior”, 1965.
- Tonomura A. et al. Demonstration of single-electron buildup of an interference pattern. American Journal of Physics 57, 1989.
- The Nobel Prize. The Nobel Prize in Physics 1921: Albert Einstein.
- Encyclopaedia Britannica. Quantum mechanics; Schrödinger's cat.