#31 Kwanty do Przedszkola, czyli Jak Uproszczono Fizykę

0. Wstępniak także uproszczony.

Fizyka kwantowa.

Na sam dźwięk tego pojęcia siwieją włosy dwudziestolatkom, wypadają zęby trzydziestolatkom, a czterdziestolatkowie w popłochu wspinają się na drzewa, banany się prostują.

Dlaczego?

Dualizm korpuskularno-falowy, zasada nieoznaczoności Heisenberga, Wielki Zderzacz Hadronów, doświadczenie z dwiema szczelinami (czyli Doświadczenie Younga. A, zapomniałem. Młodzi starzeją się o co najmniej sto lat), superpozycja...

Można wymieniać i wymieniać, a siwych włosów przybywa, ubywa zębów, rosną brody i przybywa lasek. Tych kijkowych.

Jak to ogarnąć? Jak to zrozumieć nie wpędzając się do grobu? Chciałbym powiedzieć: czytajcie Fizykę dla Laika... Ale, niestety, nie mogę, bo na pewno część z moich początkowych odbiorców już nie żyje...

Dobra, żarty na bok. Oto sposób.

1. Requiem, czyli miłe złego początki. Chciałbym napisać 'dobrego', ale muszę uhonorować moich pierwszych czytelników.

Niespodzianka. Fizyka kwantowa okazuje się mniej skomplikowana, niż można sądzić. Międzynarodowe grono badaczy wykazało, że dwa z pojęć, które są flagowymi okrętami flotylli o nazwie 'Fizyka Kwantowa' to tak naprawdę manifestacja jednej cechy, ujęta w dwojaki sposób.

Ha! Czyli mamy superpozycję! Jedna rzecz jako dwie! Niestety! =]

To był ostatni żart, obiecuję ;)

Wyniki zostały ogłoszone 19.12.2014 roku czasopiśmie 'Nature Communications'. Grupa badaczy: Patrick Coles, Jędrzej Kaniewski (Polak w Singapurze, brawo nasi) oraz Stephanie Wehner dokonali epokowego odkrycia, które zapisało się na konto 'Ośrodka Technologii Kwantowych' Uniwersytetu Narodowego w Singapurze (brawo Jędrek, przede wszystkim).

Wykazano, że dualizm korpuskularno-falowy i zasada nieoznaczoności Heisenberga są manifestacją tej samej cechy świata kwantów. Oto, jak tłumaczy owo odkrycie Stephanie Wehner:

'Związek między zasadą nieoznaczoności Heisenberga a dualizmem falowo-korpuskularnym [kojarzy się z muskularnym, wiem, ale zmilczę] jest zupełnie naturalny, kiedy potraktuję się oba zagadnienia jako pytania dotyczące informacji, jakie możemy zebrać o układzie. Naszym sukcesem jest spojrzenie na fizykę jako na dziedzinę, która zajmuje się właśnie informacją. To jej najsilniejszy aspekt.' Wehner to holenderka z QuTech, ma stopień profesora nadzwyczajnego na Politechnice Delft w Holandii. Możemy jej wierzyć.

2. Ale co tak naprawdę jest grane i dlaczego mamy wierzyć?

Zanim rozpieję się na temat, jakie to wspaniałe odkrycie, bo tak jest w istocie - może ono rzucić światło na mroki fizyki kwantowej o której wiemy, że działa, wiemy też jak, ale już nie bardzo - dlaczego działa... Parę słów objaśniających. Na razie wiedzmy tyle, iż dzięki wesołemu gronu badaczy z Uniwersytetu w Singapurze dualizm korpuskularno-falowy może zyskać nowe zastosowania.

Okej, rzucam tymi nazwami: muskularny, nieoznaczony, Hajzerberg, ale co to toto?

2a. Dualizm korpuskularno-falowy. Dla Laików.

To pojęcie oznacza, w sporym uproszczeniu, że obiekt kwantowy, taki jak np. atom, cząsteczka węgla lub pojedynczy elektron (oraz wiele innych) może zachować się jak fala (wyobraźcie sobie siebie samych, wpisujących w Google słowo 'sinusoida' - to właśnie jest fala w ujęciu kwantowym. Nie wy, tylko ta 'sinusoida';)), ale nagle ta cząstka przestaje być falą, kiedy próbujecie określić jej dokładne położenie! To czysta magia, ale taka prawdziwa, bo właśnie tak, jak opisałem, zachowują się cząstki podlegające prawom fizyki kwantowej :)

Nieźle obrazuje ów aspekt tzw. Doświadczenie Younga (link), kiedy pojedyncze cząstki są wystrzeliwane jedna po drugiej w kierunku ekranu zawierającego dwie wąskie szczeliny. Następnie, cząstki wpadają na coś, co możemy nazwać 'detektorem'. Najlepsze w tym wszystkim jest to, że kiedy próbujemy podejrzeć, przez którą szczelinę przeszła cząstka, na detektorze otrzymujemy obraz w postaci dość losowo rozstrzelonych kulek. Czyli - kiedy chcemy wykryć cząstkę, elektron 'mówi nam' - "tak, przeszedłem przez szczelinę nr 1 i zachowałem się jak cząstka". Jednakże kiedy nie próbujemy zobaczyć, którą drogę obrał obiekt kwantowy, na detektorze pokazuje się tzw. obraz interferencyjny, a taki powstaje, kiedy fale [te sinusoidy] się na siebie nakładają. A to oznacza, że elektron przeszedł przez szczelinę jako... fala. A teraz - jeszcze jeden rzut oka na ekran, bo jakże to tak, raz jak cząstka, raz jak fala, w zależności od tego, czy patrzymy? A skąd, do ciężkiej cholery, elektron 'wie', że patrzyliśmy? Zaczynamy obserwować ekran z dwiema szczelinami - obraz interferencyjny na detektorze... znika. Znowu jak cząstka.

Wiemy, że działa. Wiemy jak działa. Nie wiemy dlaczego działa. Fizyka kwantowa.

2b. Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Ta zasada mówi, że niemożliwe jest, aby poznać dwie specyficzne ze sobą skorelowane cechy obiektu kwantowego jednocześnie, z dowolną dokładnością.

Chociażby - im bardziej precyzyjnie znamy położenie atomu, tym mniej dokładnie możemy określić jego prędkość, gdy się porusza (link).

To ograniczenie jest nałożone nie przez dokładność naszych przyrządów pomiarowych, tylko, niejako, na poziomie fundamentalnych aspektów natury...

To dziwne, prawda? Fizyka kwantowa mówi nam po prostu, że najbardziej podstawowe prawa przyrody są ulotne i z zasady... niepoznawalne.

3. Upragnione uproszczenie. Dzięki, Jędrek i s-ka! =]

Nowe opracowania dwóch przedstawionych przeze mnie aspektów fizyki kwantowej wprowadzają nowe pojęcie:

'Wiedza, jaką możemy uzyskać o tym, czy obiekt kwantowy jest cząstką czy falą, jest tak samo skorelowana, jak w klasycznej zasadzie nieoznaczoności Heisenberga'.

Czyli - im lepiej poznajemy aspekt korpuskularny cząstki, tym mniej informacji mamy o jego falowej naturze.

Kolejne czyli - no, w dużym skrócie, bardzo prosto - im bardziej obiekt kwantowy jest falą, tym mniej cząstką. I na odwrót!

Coles: 'Byliśmy wiedzieni od początku XX wieku pewnym przeczuciem, że coś podobnego może być prawdą' [mowa oczywiście o pracy zespołu Coles/Kaniewski/Wehner]. Coles pochodzi z kraju Klonowego Liścia i zajmuje się Informatyką Kwantową.

Można stworzyć równania, które bardzo dokładnie opisują, jaka ilość informacji jest dostępna o konkretnej cesze, gdy mowa o zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Zespół Coles/Kaniewski/Wehner odkryli także, że cały aparat matematyczny stosowany do opisu dualizmu korpuskularno-falowego może być użyty w kontekście obliczeń wielkości skorelowanych w zasadzie nieoznaczoności!

Fajnie, fajnie. Ale co to oznacza dla nas, Laików i Tłuków?

Całe doświadczenie mówi, że dokonano niejako syntezy zasady nieoznaczoności i dualizmu falowo-korpuskularnego, że to dwa aspekty tego samego zjawiska przyrody i że można użyć matematyki z zasady Heisenberga do dualizmu.

4. Konieczny koniec.

Bo już późno, otwiera się noc, a sen podchodzi pod drzwi ;)

Zespół badaczy twierdzi, że ich odkrycie może zdziałać wiele w zastosowaniu tworzenia nowych protokołów kryptograficznych, czyli po prostu zostać użyte w technologii informatyki kwantowej, jeśli chodzi o kodowanie i zabezpieczanie danych komputerowych.

Co ciekawe, we wcześniejszych pracach Wehner i s-ka przedstawili dowody na związek między zasadą nieoznaczoności i innymi działami fizyki - tzw. zjawiskiem nielokalności drugą zasadą termodynamiki...

Łojoj! Toż niedługo okaże się, że wszystkie podręczniki do fizy w kosz bo mamy jedno prawo fizyki!

To żart, oby się nie sprawdził, ale ja jestem zszokowany. No, bo... jak sobie poradzą z tym nasi wydawcy elementarzy szkolnych, których wersje zmieniają się co rok! Będzie jedna książka. I będzie miała jedną stronę. I będzie na niej jedno Równanie.

Teoria, Kurde, Wszystkiego.

Dobrej! Bo nadchodzi czas ucieczki na out.