Kaip kvantinė fizika pakeitė pasaulį: netarkit kvantinės fizikos vardo be reikalo!

Fizikos vadovėliai teigia, kad kvantinė fizika yra mikropasaulio teorija. Ji aprašo molekulių, atomų ir juos sudarančių dalelių elgesį, bet kartu atskleidžia klasikinės fizikos veikimą makroskopiniame mūsų aplinkos reiškinių, žmonių ir planetų pasaulyje.

Kažkur tarp molekulių ir aplinkos reiškinių yra riba, kur baigiasi kvantinės fizikos keistenybės ir prasideda mums pažįstamų fizikos dėsnių veikimas. Kolumbijos universiteto fizikas Brajanas Grynas knygoje „The Elegant Universe“ (Grakšti visata) rašo, kad kvantinė fizika „pateikia teorinę visatos supratimo sistemą mažiausiu mastu.“

Bet ji taip pat yra atsakinga už mūsų modernaus gyvenimo technologinę pažangą. Be kvantinės fizikos nebūtų tranzistorių ir elektronikos lustų, o tuo pačiu ir kompiuterių, mobiliųjų telefonų ir daugelio kitų elektronikos prietaisų bei lazerių.

Kad suprastume, kaip kvantinė fizika veikia kasdienį mūsų gyvenimą, reikia bent truputį ją suprasti. Mokslas pateikia daug keistų idėjų ir gali būti painus. Bet vienas iš nuostabiausių dalykų apie kvantinę fiziką yra tai, kad jūs galite ją teisingai ir produktyviai naudoti net jei jos nesuprantate. Svarbiausia yra patikėti trimis keistomis idėjomis ‒ kad šviesa yra fotonai, kad medžiaga turi banginę prigimtį, susijusią su judėjimu ir kad viskas, šviesa ir medžiaga, turi būdingą sukinį, kuris gali turėti skirtingas vertes.

Ir tai leidžia suprasti, kaip veikia tranzistorius, kompiuterio kietasis diskas, lazeris ar magnetinio rezonanso tomografas kuria jūsų organų vaizdus ‒ suprasti svarbiausias technologijas, kurios labiausiai keičia mūsų gyvenimą.

Kompiuteriai buvo sukurti anksčiau už tranzistorių. Jie naudojo vakuumines lempas loginiams elementams. Galingesniam kompiuteriui reikėjo naudoti daugiau vakuuminių lempų. Jos buvo didelės, išskirdavo daug šilumos, dažnai duždavo. Kompiuteriams reikėjo didelių salių ar atskiro pastato. Tokiam kompiuteriui Vilniaus universitetas pastatė atskirą didelį skaičiavimo centrą su vandens baseinu kompiuterio šaldymui.

Tik vyriausybinės įstaigos ar didelės organizacijos galėjo įsigyti tokį kompiuterį. Todėl kompiuterių firmos IBM įkūrėjas Tomas Vatsonas 1943 m. pasakė, kad pasaulinė rinka tėra tik 5 kompiuteriams, o „Digital Equipment Corporation“ įkūrėjas Kenas Olsonas 1977 m. pasakė, kad nėra pagrindo kam nors turėti kompiuterį savo namuose, kai kompiuteriai svėrė keletą tonų ir kainavo labai daug. Tokių kompiuterių milijonais nebūtų visose šalyse. Tokių kompiuterių nebūtų prasmės sujungti į internetą, todėl nebūtų atsiradęs ir internetinis ryšių tinklas www (World Wide Web) ar SKYPE, kuriuo dabar balsu ir vaizdu galime bendrauti tarp šalių ir žemynų.

Nuostabiausia šios istorijos pusė yra ta, kad mokslininkai neturėjo tikslo sukurti mobiliuosius telefonus ar kompaktinių plokštelių grotuvus. Jeigu 1926 metais kas būtų paklausęs kvantinės fizikos ir garsiosios banginės lygties kūrėją austrų fiziką Erviną Šriodingerį: „Puiki jūsų lygtis, Ervinai, bet kas iš jos?“ Jis nebūtų atsakęs: „Jeigu norite įrašyti muziką kompaktinėje plokštelę skaitmeniniu pavidalu, panaudokite mano lygtį.“

Bet be smalsumą skatinančio supratimo, kaip elgiasi atomai, kaip jie sąveikauja tarpusavyje ir su šviesa, pasaulis būtų visiškai kitoks arba toks, koks buvo praeito šimtmečio pradžioje. Vienas pagrindinių kvantinės fizikos rezultatų yra tas, kad banga yra susijusi su medžiagos elektronų atome judėjimu.

Šriodingeris savo lygtimi pasakė: „Pasakykite man elektroną veikiančias jėgas ir aš pasakysiu jums, ką jo banga daro bet kuriame erdvės ir laiko taške.“ O danų fizikas Maksas Bornas suprato, kad manipuliuodami Šriodingerio atrasta bangine lygtimi galima gauti tikimybę rasti elektroną bet kuriame erdvės ir laiko taške. Eksperimentiškai buvo atrasta, kad elektronai atome gali turėti tik tam tikras energijos vertes. Iš čia seka, kodėl neono dujų lempos skleidžia raudoną šviesą, o natrio ‒ geltoną. Supratimas, kodėl elektronai ir atomai gali turėti tik tam tikras energijos vertes, yra vienas nuostabiausių kvantinės fizikos dalykų.

Pažiūrėkime, kaip kvantinė fizika padėjo sukurti lazerį. Lazerio veikimą galima suprasti iš tokios analogijos. Tegul turime auditoriją su parteriu apačioje, kuriame visos vietos yra užimtos ir todėl studentai negali laisvai judėti, ir balkonu viršuje, kuriame visos vietos yra laisvos ir studentai gali laisvai judėti iš vienos vietos į kitą. Norint iš parterio patekti į balkoną, reikia įgyti energijos. Kai į balkoną persikelia dauguma studentų, parteris tampa beveik tuščias. Jeigu kažkas paskatina studentus vienu metu persikelti iš balkono į parterį, jie atiduoda aplinkai savo energiją.