Sto godina kvantne fizike

Točno prije sto godina francuski fizičar Louis de Broglie učinio je trostruki kopernikanski obrat u znanosti. Ne samo da je definitivno srušio zornu sliku svijeta klasične fizike, on je „svjetski rekorder“ kao dobitnik Nobelove nagrade za jednu jedinu formulu koja je okrenula naopako cjelokupno filozofsko poimanje materije i otvorila put primjenama neslućenih razmjera.

De Brogliev rad iz 1924. godine, Recherches sur la théorie des quanta, predstavlja revolucionarni doprinos kvantnoj mehanici. On je bio prva osoba koja je predložila ideju da čestica materije, poput elektrona, ima valna svojstva, što je tada bila potpuno nova ideja. De Broglie je postavio hipotezu da svaki objekt čestica u pokretu ima valnu prirodu, koja je opisana valnom dužinom λ = h/p, gdje je h Planckova konstanta, a p impuls čestice. To se danas naziva De Broglieva valna dužina. U svojoj disertaciji, De Broglie je iznio i teorijsko opravdanje ovog fenomena, naglašavajući da postoji analogija između ponašanja fotona (koji su već bili prihvaćeni kao nosioci svjetlosti u kvantnoj teoriji) i elektrona, sugerirajući time univerzalnost valno-čestične dualnosti. Ova ideja izazvala je velik interes fizičara toga vremena, uključujući Alberta Einsteina, koji je podržao De Broglieve ideje.

Matematičko oblikovanje kvantne teorije dovelo je do niza izuma

Razvoj kvantne fizike

U proteklih je stotinu godina kvantna fizika postala jedno od najvažnijih i najfascinantnijih područja znanosti, mijenjajući naše razumijevanje prirode na fundamentalnoj razini i revolucionirajući način na koji razumijemo svemir. Od svojih prvih koraka početkom 20. stoljeća, kada su Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg i drugi pioniri postavili temelje kvantne teorije, do suvremenih primjena u tehnologijama poput kvantnih računala i kriptografije, kvantna fizika transformirala je i znanost i tehnologiju. Prvi koraci – rađanje kvantne mehanike i kvantne fizike – započinju ključnim eksperimentima koji su doveli do spoznaje da klasična fizika, koja je vladala gotovo tri vijeka, ne može objasniti ponašanje čestica na atomskoj i subatomskoj razini. Jedan od prvih značajnih doprinosa bila je Planckova hipoteza iz 1900. godine.

Max Planck, nastojeći riješiti problem „ultraljubičaste katastrofe“ u teoriji zračenja crnog tijela, predložio je da se energija emitira u diskretnim paketima koje je nazvao kvantima. Njegova radikalna ideja otvorila je vrata novom pogledu na prirodu svjetlosti i materije. Nešto kasnije, 1905. godine, Albert Einstein uveo je koncept fotona, kvanta svjetlosti, kako bi objasnio fotoelektrični efekt. Ova otkrića su potvrdila da svjetlost ima i čestičnu i valnu prirodu, što je kasnije postalo temeljem kvantne teorije. Tijekom idućih godina, radovi Ernesta Rutherforda i Nielsa Bohra na modelima atoma dodatno su ukazali na kvantna svojstva mikroskopskih sustava, gdje su elektroni mogli zauzimati samo određene dozvoljene energetske nivoe.

Louis de Broglie / Izvor Wikimedia

Principi kvantne mehanike

Uz principe kvantne mehanike – kao što su neodređenost i vjerojatnost, 1920-ih kvantna teorija postaje sve složenija i preciznija. Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger i Paul Dirac doprinijeli su razvoju matematičkog formalizma kvantne mehanike, koji uključuje Heisenbergovu matričnu mehaniku, Schrödingerovu valnu mehaniku i Diracovu teoriju kvantnih polja. Ključan princip kvantne mehanike postaje princip neodređenosti koji je formulirao Heisenberg 1927. godine. Prema tom principu, nemoguće je istovremeno odrediti točnu poziciju i impuls čestice.

Ova neodređenost nije rezultat tehničkih ograničenja, već je fundamentalno svojstvo prirode. Pored toga, kvantna mehanika uvodi koncept vjerojatnosti kao osnovu za predviđanje ishoda eksperimenata. U klasičnoj fizici, znajući početne uvjete, može se precizno predvidjeti ponašanje sustava. Međutim, u kvantnoj fizici, možemo predvidjeti samo vjerojatnosti da će se određeni ishod dogoditi, što je u velikoj mjeri suprotno intuiciji. Ovaj pristup izazvao je mnoge debate među znanstvenicima, uključujući poznatu raspravu između Einsteina i Bohra o tome je li kvantna teorija potpuna.

Prijepori oko kvantne mehanike

Da su i najapstraktnija područja temeljne znanosti bila korištena za razvoj tehnologije vidljivo je posebno posljednjih deset do petnaest godina pojavom kvantnih računala, a i ranijim izumima kao što su tranzistor, laser, mikročipovi, nuklearna magnetska rezonancija, supravodljivost, objašnjenje periodnog sustava elemenata, gradnja akceleratora elementarnih čestica, nuklearna fisija i fuzija. Svi navedeni izumi temelje se na maštovitom matematičkom oblikovanju kvantne teorije s početka prošlog stoljeća. Za razumijevanje razvoja valja znati da teorijski fizičari nisu opterećeni praktičnom primjenom teorije koju grade, a kruna njihova rada eksperimentalna je potvrda teorije.

Kvantna teorija ispunjava četiri kriterija da bi bila znanstvenom teorijom: originalnost, egzaktnost, reproducibilnost i prediktivnost. To se u radu oslikava primjerima: od objave hipoteze teorijskog fizičara koji „šuti i računa“ (shut up and calculate), npr. teorijsko predviđanje Stjepana Mohorovčića o postojanju pozitronija iz 1934, preko eksperimentalnog fizičara koji projektira eksperimente za opovrgavanje/potvrđivanje, npr. Zeilingerova kvantna teleportacija 1998, do graditelja proizvoda za praktičnu upotrebu, Oppenheimerova atomska bomba 1945.

Sukob unutar skupine teorijskih fizičara prilikom izrastanja novonastajuće paradigme nije izostao ni kod kvantne teorije. Sloboda u sukobu mišljenja preduvjet je razvoja. To će se pokazati na primjeru Alberta Einsteina i njegove kovanice „sablasno djelovanje na daljinu“, koja Einstenovu veličinu ne dovodi u pitanje njegovim suprotstavljanjem teoriji koja je u konačnici i prihvaćena.

S ciljem sveobuhvatnog prikazivanja problema, poznato je da su se neki društveni sustavi prema kvantnoj teoriji odnosili maćehinski, i to čak do razine zabrana (npr. Sovjetski Savez zbog navodnog nesklada s dijalektičkim materijalizmom), proglašavajući je buržoaskom izmišljotinom, jednako tako i prema slobodi istraživanja, vrednovanju znanstvenog napredovanja i u konačnici utjecaju na sadržaje u obrazovnom sustavu.

Kvantna fizika nije samo izazvala revoluciju u znanosti, ona je postavila i duboka filozofska pitanja o prirodi stvarnosti. Princip superpozicije, naprimjer, ukazuje na to da čestica može biti u više stanja istovremeno, sve dok ne dođe do mjerenja. Slavni misaoni eksperiment Schrödingerove mačke predstavlja ovu ideju u makroskopskom kontekstu – mačka, zaključana u kutiji, može biti istovremeno i živa i mrtva dok se ne izvrši mjerenje, čime se konačno utvrđuje njezino stanje. Pored toga, fenomen kvantne isprepletenosti (entanglement), gdje se dvije čestice mogu povezati na način da stanje jedne neposredno određuje stanje druge bez obzira na udaljenost, izazvao je dodatne rasprave o prirodi prostora i vremena. Einstein je ovu pojavu nazvao sablasnim djelovanjem na daljinu, smatrajući je paradoksalnom. Ipak, isprepletenost ili spregnutost eksperimentalno je potvrđena, a danas predstavlja osnovu za kvantnu komunikaciju i kvantno računanje.

Budućnost kvantne teorije

Kvantna fizika nije samo teorijska; ona ima ogroman utjecaj na praktičnu tehnologiju. Kvantna mehanika omogućila je razvoj tranzistora, lasera, MRI skenera, kao i drugih uređaja bez kojih bi moderan svijet bio nezamisliv. Tijekom posljednjih desetljeća, fokus se sve više pomiče prema kvantnom računalstvu, gdje kvantni bitovi (ili qubiti) omogućavaju istovremeno obrađivanje ogromne količine informacija, čime se znatno ubrzavaju proračuni u odnosu na klasična računala. Kvantna kriptografija, zasnovana na principima kvantne isprepletenosti i neodređenosti, obećava unapređenje sigurnosnih protokola na način koji je nemoguć s klasičnom kriptografijom.

Iako je u proteklih stotinu godina postignut značajan napredak, kvantna fizika još uvijek nije u potpunosti shvaćena. Znanstvenici širom svijeta i dalje rade na ujedinjavanju kvantne mehanike s teorijom gravitacije, pokušavajući razviti „teoriju svega“ koja bi povezala sve fundamentalne sile prirode. Teorija struna i kvantna gravitacija predstavljaju neke od najambicioznijih pokušaja u ovom smjeru, ali potpuni konsenzus i dalje izmiče.

Kvantna fizika također pruža inspiraciju za nove tehnologije koje tek trebaju biti realizirane. Kvantni senzori, kvantne simulacije i sofisticiranije kvantne mreže mogle bi promijeniti naš način istraživanja prirode i proširiti našu sposobnost da eksperimentiramo u uvjetima koje bi bilo nemoguće ili nepraktično postići klasičnim sredstvima.