Самото споменаване на понятието квантова физика предизвиква смут у хората, които не са почитатели на точните науки, заради представата за сложността на материята, с която науката се занимава, и трудността да се разбере нейния предмет на изучаване. Трудно е да се разбере дори какво всъщност означава.
Квантум на латински значи колко. Отнася се до единиците на материята и енергията, които се изучават в квантовата физика. Предмет на изучаване са също пространството и времето, които изглеждат непрекъснати и продължителни като състояние, но в най-малките си стойности са променливи.
Предмет на изучаване на квантовата физика
Квантовата физика обяснява предмета на своята дейност прекалено сложно. Тя е дефинирана като дял от физиката, който има за предмет изучаване на квантовомеханични и квантово силови системи и законите на тяхното взаимодействие и движение. Тя обединява квантовата механика, квантовата теория на полето и квантовата оптика, както и някои подраздели на тези науки.
Така представена, квантова физика изглежда сериозна и скучна наука, твърде сложна за повечето неспециалисти. Всъщност това е една вълнуваща възможност да се отговори по научен път на въпроси, които вълнуват всеки човек, най-вече от какво е създаден светът, който ни заобикаля?
Това, което виждаме наричаме с думата материя, но какви са нейните градивни елементи? Отговор на въпроса като че ли е даден с откриването на атома, но веднага възниква въпросът дали в тях няма и нещо друго, още по-малка частица, която стои в основата на всичко? Звучи почти фантастично, а не като наука, но точно това са нещата, които влизат в полето на изследване на квантовата физика или механика, както още се нарича.
Тази наука действително е трудна, не само интересна, защото да се изследва материята на ниво субатом, не е лесна работа. Нужни са експерименти, наблюдения, инструментариум и верни изводи. Теориите, развити през десетилетията работа на квантовите физици, са сложни дори за специалистите. Те имат нужда от обяснение на по-достъпен език.
Основни аспекти на науката квантова физика
Началото на науката квантова физика е поставено от немския учен Макс Планк. През 1900 година той прави достояние на света квантовата си теория. Според нея енергията съществува подобно на материята на отделни единици, а не като една постоянна електромагнитна вълна. Тези единици са наречени кванти от Планк, а оттам названието се пренася и върху науката.
Планк дефинира квант като най-малкото количество енергия. Квантовата светлина се назовава с термина фотон. Впоследствие други физици доразвиват науката. Появяват се теории, които обясняват, че няма фундаментални разлики между теория и енергия. На ниво атом и субатом и двете могат да се държат така, сякаш са направени от частици или вълни.
Чрез експерименти е установено, че електроните и други елементарни частици се държат не като свързани помежду си точки, а като малки неделими облачета, изграждащи цялото. Това значи, че част от електрона може да бъде на едно място, а друга част навсякъде. Това доказва извода, че положението на всяка микрочастица е вероятно, но не точно, положението му просто се приема.
Съотношение на неопределеност на Хайзенберг
Физикът Хайзенберг достига до извода, че в коя да е система е възможно да се определят координатите на някоя частица или нейната скорост, но не и двете едновременно. Ние определяме не къде, а каква е вероятността да се намира тази частица на определено място. Можем да определим заедно с това скоростта, с която се движи.
В същото време всяко въздействие върху обекта променя неговите координати. Изводът, че наблюдавайки нещо, променяме физическите му процеси, се налага от само себе си. Светлинните вълни действат като частици, а частиците действат като вълни. Материята може да се премести от едно място на друго, без да се движи през междинното пространство, наречено квантови тунели, а информацията стига незабавно на големи разстояния. Това води до генерален извод, че Вселената е поредица от различни вероятности.
Квантова оптика
Един от клоновете на квантовата физика е квантовата оптика. Тя се занимава с поведението на фотоните и светлината. Поведението на отделните фотони зависи от изходната светлина и благодарение на това откритие лазерът става възможен.
Квантова електродинамика
Този изследователски метод определя как си взаимодействат фотони и електрони. Неговото авторство се приписва на няколко учени. Квантовата електродинамика има редица предположения за разсейването на фотоните и електроните. Едно от тях е, че това разсейване е точно до 11 знака след десетичната запетая.
Единна теория на полето
Тази теория представлява дял от физиката, който изучава поведението на квантовите системи, които имат безкрайно големи стойности до степента на безкрайност. Тя е основата, върху която се прави описанието на микрочастиците, начина им на преобразуване и взаимодействията, в които встъпват. Това е основата за развитието на физиката на елементарните частици и на кондензираното състояние на материята.
Най-великите открития на квантовата физика в последните години
Квантовата физика не спира да се развива и нейните открития стават все по- изумителни. Ето някои от тях:
- Времеви кристали - така се наричат реални квантови обекти, а първият е получен през 2017 година. Това е уникално състояние на материята с периодична структура както в пространството, така и във времето;
- Най-студеното вещество във Вселената - това е успешен опит на охлаждане на молекула калциев монофлуорид до 50 микрокелвина от абсолютната нула;
- Антиматерия - при електрически разряд се произвеждат гама лъчи, които реагират с въздуха. В резултат на реакцията се получават радиоизотопи, които са аналог на електрона;
- Телепортиране на далечни разстояния - китайски учени успяха да осъществят първото квантово телепортиране на пакет на информация от базовата станция на Земята до спътник, който се е намирал в орбита. Това означава, че криптирането на квантов интернет и само въпрос на време;
- Най-разредената капка във Вселената - капките вода, които познаваме, се образуват следствие на електромагнитните сили между молекулите им. Те им помагат да запазят формата си и да не променят обема си, както става с газовете. Екип от квантови физици обаче създаде капка, която е толкова разредена, че би трябвало да има проявата на газовете. Тази капка обаче запазва формата си само благодарение на силите на квантовите колебания. Създава се сила на привличане, която е толкова мощна, че държи молекулите заедно в една капка;
- Тетракваркът - тази частица е съставена от 4 кварка, а не от 3, както обикновено в барионите. Той може да съществува в чиста форма и даже е предвидена маса му. Един ден на Земята ще бъде регистриран реалният тетракварк и в това квантовите физици изобщо не се съмняват;
- Обръщане на термодинамичната стрела на времето - основен закон на термодинамиката е, че топлинните потоци се движат от по-горещи към по-студени обекти, а не обратно. Учените обаче експериментално доказаха, че частиците могат да бъдат манипулирани с помощта на законите на квантовата физика и да обърнат посоката на движение, докато квантовата връзка между атомите се разпадне.
Квантовата физика е наука, която може да изследва възможностите на материята и да експериментира с установени физични закони, доказвайки, че във Вселената всичко е възможно.
Коментари