O prirodi stvarnosti – uvod u kvantnu fiziku

Potpuno ista stvar se dogodila sa micro kao i sa macro svijetom: ljudi nisu vjerovali dok nisu vidjeli svojim očima. Tek kada smo napravili prvi teleskop mogli smo vidjeti zvijezde. Tek kada smo napravili prvi mikroskop mogli smo vidjeti staničnu strukturu. Sada ljudi ne vjeruju u kvantnu fiziku iako postoje čestični akceleratori. Problem je u tome što se spuštamo na još nižu razinu od mikroskopske gdje ne možemo vidjeti stvari i događaje, čak ni uz pomoć posebnih leća, nego ih jedino možemo detektirati i kalkulirati. Ruku na srce, mi zapravo nikada nismo ni vidjeli pola svemirskih fenomena jer ih teleskopi ne mogu otkriti u vidljivom elektromagnetnom spektru.

Jedna usputna zanimljivost što se tiče mikroskopa: najjači su transmisijski elektronski mikroskopi (TEM). Mogu povećati objekt 50 milijuna puta. No s obzirom da se njima ne može promatrati u 3d tehnici, dobri su jedino kada su uzorci vrlo tanki. Optimalni izbor je skenirajući elektronski mikroskop (SEM) koji uvećava "samo" nekoliko milijuna puta ali koristi 3d tehniku skeniranja po layerima pa je finalni image značajno detaljniji.

Što je priroda stvarnosti? Od čega se sastoji materija? Standardni model fizike čestica kaže da su hadroni (protoni, neutroni, mezoni) građeni od 6 vrsta kvarkova a povezani su gluonom - česticom koja služi kao medijator snažne interaktivne sile.

Da bismo uopće krenuli sa objašnjavanjem kvantne fizike moramo znati osnove fizike čestica i nuklearne fizike. Elementarna podjela je na fermione (kvarkovi: gore, dolje, začarani, čudni, vrh, dno; leptoni: elektron, muon, tau i 3 neutrino kombinacije istih) ili gradivnu tvar i bozone (gluon, foton, Z i W bozon) ili medijatore sila. Foton je medijator elektromagnetne sile, Z i W slabe interaktivne sile.

Nuklearne reakcije mogu biti fizije (razbijanje) ili fuzije (spajanje) atoma. Kod fizije, neutron udara u jezgru, najčešće Uranija ili Plutonija, i razbija ju na sastavne dijelove pri čemu se oslobađa ogromna energija. Kod fuzije, sudaraju se dva atoma i stvaraju novi – teži. Npr. dva atoma Vodika fuzijom proizvode atom Helija. Proces fuzije održava zvijezdu aktivnom i tako prkosi gravitaciji. Stvara mnogo više energije od fizije ali zahtjeva enormni pritisak i temperaturu od 15.000.000 stupnjeva Celzija što je moguće samo u jezgrama zvijezda ili prilikom eksplozija Supernova (za elemente teže od Željeza, Fe). U nuklearnoj bombi pritisak se nadoknađuje ograničenim prostorom, koji je znatno manji od Sunčeve jezgre, i daleko većom temperaturom nego u Sunčevoj jezgri, čak 100-300 milijuna Celzija. Nakon što se nuklearno gorivo potroši, zvijezda se pod utjecajem gravitacije urušava sama u sebe i, ako je teorija singularnosti točna, ultimativnom komprimacijom ignorira Paulijev princip ekskluzivnosti.

Postoji fenomen zvan quantum tunneling koji igra esencijalnu ulogu u nuklearnoj fuziji i alpha radioaktivnom propadanju. Kada čestica dođe do prepreke ona nestane i pojavi se s druge strane prepreke. Kao da je uronila u kvantno polje i zaobišla prepreku putujući ispod ili izvan prostorvremena. S obzirom da je temperatura u središtu zvijezde premala da savlada Coulombovu barijeru, situaciju je jedino moguće objasniti QT fenomenom.

Što je Sunce veće brže troši svoje gorivo i prije će izgorjeti. Da li su supermasivne crne rupe ostaci golemih pradavnih Sunaca?

Higgsov boson, teoretski predviđen 1964., otkriven je 2012. koristeći LHC, a njegovim postojanjem objašnjava se kako čestice dobivaju masu i zašto su Z i W boson tako masivni u odnosu na gluon i foton koji nemaju masu.

Značajna razlika između Higgsovog i ostalih bosona je što Higgsov nema spin dok druga 4 imaju.

Higgsovo polje je univerzalno energetsko polje koje pomoću svog bosona česticama alocira masu što se naziva Higgsovim efektom.

Znamo za tri statistike: Fermi-Diracovu, Bose-Einsteinovu i Maxwell-Boltzmannovu. Prva vrijedi za čestice sa integer-i-pol spinom koje poštuju Paulijev princip ekskluzivnosti što znači da identične čestice ne mogu imati isto energetsko stanje, a potonje dvije vrijede za čestice sa integer spinom i ne poštuju PPE što znači da mogu zauzimati ista energetska stanja tj. pozicije u kvantnom polju.

Spin je intrinzično svojstvo sitnih čestica koje predstavlja kvantno-mehanički oblik angularnog momentuma tj. rotacije.

Higgsovo polje, kvantno polje. Već sam nekoliko puta u ovom tekstu spomenuo riječ "polje". Teorija polja kaže da postoje energetska polja koja su u interakciji sa materijom kroz Maxwellove (elektromagnetizam) i Einsteinove jednadžbe polja ili, skraćeno, EFE (geometrija prostorvremena).

Postoji li kvantno polje? Sudeći po onome što znamo (entanglement ili spooky action at the distance i superpozicija) čini se da postoji. Rezoniram da je upravo to polje zaslužno za temporalni fenomen tj. postojanje dimenzije vremena.

Pojam kvantno (quantum – lat. „koliko“) izvodi se iz riječi kvant(a) kojom je Max Planck opisao najmanju moguću količinu energije i smatra ga se osnivačem kvantne teorije. Kvant elektromagnetne sile, je foton a osim valnih posjeduje i čestična svojstva, kao i elektron. Već je ta dualnost zanimljiva sama po sebi a dokazuje ju eksperiment sa 2 otvora.

Kvantna mehanika je područje fizike koje se bavi fundamentalnim (subatomskim) fizičkim veličinama i pojavama tj. karakteristikama i ponašanjem najsitnijih kozmičkih komponenti, a otkriva nam da je energija emitirana, transmitirana ili apsorbirana u kvantama ili kvantima.

Kvantna mehanika se već koristi u mikrovalnim pećnicama, fluorescentnim žaruljama, poluvodičima, laserima, MRI (magnetna rezonanca) i u atomskim satovima.

Štoviše, uočljiva je kod mnogih životnih fenomena iako nikada nismo obraćali pažnju na nju lakonski pripisujući sve pojave zakonima macro-fizike. Evo jedan primjer: mala radnička plaća paralelno i jest i nije – „jest“ jer ima određeni iznos a „nije“ jer je već unaprijed potrošena (rezervirana).

Planck je svoju konstantu, h, izveo proučavanjem zračenja crnog tijela koje, pri sobnoj temperaturi, emitira u infracrvenom spektru. Povećanjem temperature spektar prelazi u vidljivi, ljubičasti i napokon u ultra-ljubičasti. Prije Plancka, crnim tijelom se bavio Kirchhoff.

Kombinacijom formula E = m c2 i E = h v shvaćamo da sve ima svoju frekvenciju pa čak i masa tj. čestice. Materija oscilira, ziba se na energetskim poljima kao na paukovoj mreži.

Max Planck je odredio infinitezimalne veličine vremena (10 -43), prostora (10 -35), mase (10 -8 kg) i energije (10 -19 GeV).

Kvantni pojmovnik:

Po Niels Bohru (Kopenhaško tumačenje), koji je osmislio načelo korespondencije između klasične i kvantne fizike, nazvan je Bohrov model atoma u kojemu se elektroni mogu gibati samo onim kružnim putanjama kojima je kut kretanja određen sa h/2pi a Vodikov atom (H) emitira foton tj. kvant EM zračenja kada elektron prelazi iz više na nižu energetsku razinu.

E = h v E = -h v / 2pi (elektron) E = h f = h c / λ

v (ili f) - frekvencija elektromagnetne radijacije
h - Plankova konstanta
λ – valna duljina svjetlosti

Werner Heisenberg zaslužan je za tzv. Heisenbergov princip nesigurnosti koji kaže da nije moguće istovremeno, sa maksimalnom preciznošću, izmjeriti poziciju i brzinu čestice.

Schrödingerova jednadžba (nazvana po Erwin Schrödingeru): kvantni objekti opisuju se koristeći valne funkcije vjerojatnosti, koje su rješenja Schrödingerove jednadžbe, i opisuju kretanje čestica te vanjske utjecaje na njihovo kretanje.

Entanglement: dva objekta povezana tj. uparena u jedan sustav, npr. dva fotona ili dva elektrona, iako jako međusobno udaljena zadržavaju zajedničke karakteristike. Koriste se laseri i specijalni kristal kojima se podijeli jedna čestica na dvije koje ostaju u savršenoj korelaciji narušavajući principe lokalnosti i kauzalnosti. Einstein, Podolsky i Rosen su predložili mogućnost postojanja skrivenih varijabli ali su kasnijim radovima Bell i Clauser otklonili tu mogućnost.

Superpozicija: objekt može biti u više stanja istodobno i može pokazivati različite ishode mjerenja za svako od tih posebnih stanja.

Micius (Mozi), kineski kvantno-zaštićeni komunikacijski satelit QUESS i Baidu Qian-shi 10 ili 36 qubit mašina, pokazuje da uparivanje funkcionira kod tisućama kilometara udaljenih fotona. Freedman–Clauser je bio prvi eksperiment ovakve vrste testirajući Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) nejednakost.

Peter Shor's algoritam teoretski izlaže kako bi budući kvantni kompjutori mogli probiti RSA enkripciju, koja se trenutno koristi za šifriranje web stranica koristeći privatni i javni ključ, ubrzavanjem defaktorizacije. Quantum key distribution (QKD) koristi sekvence fotona otkrivajući mjerenjem na obje strane da li je pošiljka kompromitirana. "Sagnac efekt" interferometar je uređaj za stvaranje uparenih fotona.

Dekoherentnost: elektron se ponaša kao val dok ga ne gledamo a kada ga gledamo val kolabira i ponaša se kao čestica.

Kvantno računalo: u odnosu na konvencionalni sklop koji koristi bit(ove), pohranjene na tranzistorima, kvantno računalo koristi qubit(ove), pohranjene na supervodiču ili u, naprednijoj verziji, specijalan kristal u kojemu se laserima zatoče ioni. Qubit je bit u superpoziciji, i 0 i 1 istovremeno. S obzirom na snagu ovakvih uređaja u doglednoj budućnosti će biti moguće dešifrirati i najjače dostupne enkripcije: RSA 2048 do 4096 bitne. Kako funkcionira kvantno računalo? Već postoje analogna, do 100 qubita, a u doglednoj budućnosti planira se izgradnja univerzalnih sa preko 100.000 qubita.

Kvantno žarenje: kompanija D-wave najavljuje računalo sa 2000 qubita koje će raditi na principu kvantnog žarenja (annealing) koristeći kvantne fluktuacije i promptno prilagođavajući vlastiti algoritam novonastalim okolnostima.

Vremenski kristal: novo je stanje tvari, uz postojeće čvrsto, tekuće, plinovito, plazma (kao-plinovito stanje bogato nabijenim česticama tj. ionima i/ili elektronima, primjer: aurora, munja, neonske reklame, zavarivački alat, plazma kugla) i Bose-Einstein kondenzat (superohlađen razrijeđeni plin npr. Rubidijevih atoma u kojemu se veliki broj čestica nalazi u istom energetskom stanju). Kristal koji periodično mijenja svoju konfiguraciju bez energetske modifikacije. Sa vremenskim kristalima eksperimentira Google Sycamore 53-qubitni kvantni kompjutor.

Quantum vortex: vrtlog koji nastaje u supertekućinama ili u super vodičima.

Osim već spomenutih ranije u tekstu, postoji još nekoliko važnih imena na području kvantne fizike: Henri Poincare (polimat, determinizam kaotičnog sustava), Hendrik Lorentz (L. transformacije, L. sila) i Pieter Zeeman (Zeeman efekt), Max Born (statistika valne funkcije), Paul Dirac (pozitron) i Richard Feynman (kvantna elektrodinamika, dijagrami).