Fizyka kwantowa z Mariuszem Kordeczką!

Fizyka kwantowa. Na pierwszy rzut oka jakieś zagadnienie z cyklu tych, o których jakieś tam pojęcie mają naukowcy, a nie zwykli ludzie. Pewnie większość z Was nie miała z tą dziedziną nauki nigdy w życiu styczności. Ja jednak, postaram się podołać, ciężkiemu z pewnością, zadaniu. Będę pisał tutaj raz w miesiącu i próbował objaśnić Wam fizykę kwantową od podstaw. Tak więc, jeśli zaczniecie czytanie moich tekstów od któregoś z kolei, to zapraszam najpierw właśnie tu, gdzie rozpoczynamy naszą przygodę z kwantami. Dzisiaj postaram się opowiedzieć Wam, co to w ogóle jest ta fizyka kwantowa, a w kolejnych tekstach… zobaczycie sami!

Zacznijmy od wyjaśnienia czym właściwie jest kwant. Kwant to pewna porcja, pakiet. Gdy się dobrze nad tym zastanowić, wszędzie wokół znajdziemy przykłady rzeczy występujących w porcjach, przy czym porcje te zazwyczaj są różne – weźmy chociażby bochenek chleba, karton mleka czy rozmiary samochodu. Piekarz może zmieniać masę chleba – dodać lub ująć kromkę czy okruch. Mleczarnia może zacząć sprzedawać  mleko w kartonach półlitrowych lub nawet na kilogramy. Producent samochodów może dowolnie modyfikować wielkość i wagę budowanych aut. Nic takiego nie może mieć miejsca w świecie, w którym rządzą zasady fizyki kwantowej.

Weźmy na przykład atom wodoru. Ma on, mniej więcej, ustaloną średnicę (jedna dziesiąta nanometra). Żaden atom wodoru nigdy nie będzie mniejszy. Mówi się, że taki atom jest w podstawowym stanie energetycznym. Okazuje się że każdej z wielkości atomu odpowiada konkretna ilość energii. Nie istnieje atom, który miałby energię mniejszą niż energia stanu podstawowego – jest to najniższa z możliwych wartości energii atomu. Każdy atom w stanie podstawowym ma taką samą wielkość i taką samą energię. Średnicę atomu wodoru, a przy okazji jego energię można zwiększać o ściśle określone zmiany – stan energetyczny atomu można zmieniać jedynie o pewne porcje energii, zwane kwantami. O atomie w wyższym stanie energetycznym mówimy, że jest w stanie wzbudzonym. Gdy z takiego atomu wydostanie się foton, atom przejdzie z wyższego stanu energetycznego w niższy, czyli wykona tak zwany skok kwantowy. Emitowany foton jest właśnie kwantem, najmniejszą porcją promieniowania elektromagnetycznego, może to być promieniowanie z zakresu widzialnych długości fal, czyli porcja światła. Foton niesie w sobie kwant energii i gdy zostanie przez inne ciało pochłonięty to przekaże mu tą energię, kończąc jednocześnie swój żywot. Przykład fotonu pokazuje, że nie tylko rzeczy występują w porcjach, ale takich przykładów jest wiele np. ładunek elektryczny, spin cząstki, i wiele, wiele innych, o których opowiem i wyjaśnię innym razem.

Zadajmy sobie pytanie - gdzie obowiązują prawa fizyki kwantowej? Najprostsza odpowiedź brzmi: ‘’Wszędzie’’. Należałoby raczej pytać, gdzie musimy je brać pod uwagę. W świecie bardzo małych wielkości, w świecie cząsteczek i mniejszych od nich atomów, w świecie jeszcze mniejszych obiektów – jąder atomowych i budujących je cząstek elementarnych, czyli jednym słowem mówiąc - świecie ‘’cząsteczkowym’’. Jeśli weźmiemy łyk wody, to wiemy co to jest i że składa się z cząsteczek H₂O, lecz budowa cząsteczkowa pitej cieczy nie ma żadnego znaczenia jeśli mielibyśmy określić jej ciśnienie czy lepkość. Rozważania w tej skali zaliczamy do fizyki klasycznej. W zupełności wystarczą one do opisu wody w szklance, rurze czy ogromnym zbiorniku. Zastanówmy się jednak nad zachowaniem pojedynczej cząsteczki wody. Fizyka klasyczna nie potrafi poradzić sobie z takim problemem. Cząsteczka jest bytem kwantowym, i  tylko fizyka kwantowa umożliwia jej opis. Okazuje się nawet, że wiele właściwości naszego świata, można zrozumieć jedynie dzięki opisowi kwantowych właściwości cząstek budujących ciała – na przykład jak dobrze dany obiekt przewodzi prąd, ile energii potrzeba by podnieść jego temperaturę o jeden stopień, czy jaki ma kolor.

Jednak kwantowego podłoża zjawisk i cech znanych z życia codziennego nie da się zaobserwować w skali makro. Gdzie jednak wypada granica pomiędzy fizyką kwantową a fizyką klasyczną? W układach makroskopowych pewne efekty kwantowe (na przykład ziarnistość, czyli cząsteczkowa budowa materii’) są nieobserwowalne. Fizyka klasyczna skutecznie opisuje zjawiska skali makroskopowej, fizyka kwantowa staje się niezbędna, gdy staramy się opisywać procesy zachodzące w bardzo malej skali. Jednak  te dwie dziedziny fizyki nie pozostają w sprzeczności, ponieważ fizyka kwantowa odnosi się do wszystkich znanych nam dziedzin fizyki, mimo że jej wpływ nie zawsze jest oczywisty… Mam nadzieję że was nie zanudziłem tymi teoriami, ale przyszłe tematy już będą trochę ciekawsze…