#Ciekawostki wszechświata i nie tylko

Czym są kwanty

Słowo „kwant” pochodzi od łacińskiego quantum, czyli „ile”. W fizyce oznacza najmniejszą możliwą jednostkę jakiejś wielkości fizycznej – zazwyczaj energii. Innymi słowy, kwant to porcja – nie da się podzielić jej na coś mniejszego w danym kontekście. To, co dla nas wygląda na ciągłe (np. światło, energia), w rzeczywistości na mikroskopijnym poziomie może mieć strukturę dyskretną, schodkową.

Historia i początek teorii kwantów

W 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck badał promieniowanie ciała doskonale czarnego (ciała, które idealnie pochłania i emituje promieniowanie). Eksperymenty nie zgadzały się z obliczeniami klasycznej fizyki – przewidywano, że ciało powinno emitować nieskończoną ilość energii w ultrafiolecie (tzw. katastrofa ultrafioletowa). Planck zaproponował, że energia jest wypromieniowywana nie ciągle, lecz w małych paczkach – kwantach. Energia pojedynczego kwantu to:
E = h·f
Gdzie:
- E to energia kwantu,
- h to stała Plancka (bardzo mała liczba: ~6,626×10⁻³⁴ J·s),
- f to częstotliwość fali (np. światła).

Dualizm korpuskularno-falowy

Tutaj dochodzimy do czegoś zaskakującego – światło i cząstki materii (np. elektrony) wykazują dualizm: są jednocześnie falami i cząstkami.
Światło może zachowywać się jak fala (np. interferencja, dyfrakcja).
Ale też jak cząstka – foton, który ma konkretną energię i pęd.
Elektrony, które zwykle uważamy za cząstki, też potrafią interferować jak fale.
To całkowicie przeczy klasycznemu rozumieniu rzeczywistości.

Superpozycja stanów

W świecie kwantowym cząstka może być jednocześnie w wielu stanach. Dopóki jej nie zmierzymy, nie wybiera jednego – zamiast „jest tu” albo „jest tam”, mówimy, że jest tu i tam jednocześnie, z różnym prawdopodobieństwem.
Znasz pewnie myślowy eksperyment „kot Schrödingera”: kot zamknięty w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy, dopóki nie zajrzymy do środka – to właśnie analogia do superpozycji.

Splątanie kwantowe

Dwa (lub więcej) obiekty kwantowe mogą stać się splątane, co oznacza, że ich stany są ze sobą nierozerwalnie związane – niezależnie od odległości między nimi. Zmiana stanu jednego natychmiast wpływa na drugi, nawet jeśli są na przeciwnych krańcach galaktyki. To zjawisko zszokowało Einsteina, który nazwał je „upiornym działaniem na odległość” (spooky action at a distance).

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

W fizyce kwantowej nie można jednocześnie i dokładnie znać pewnych par wielkości – np. położenia i pędu cząstki. Im dokładniej znamy jedno, tym mniej wiemy o drugim. To nie wynika z niedoskonałości pomiarów, tylko z samej natury rzeczywistości.

Dlaczego to ważne?

Choć brzmi to wszystko jak science fiction, fizyka kwantowa pozwoliła stworzyć:
- tranzystory i mikroprocesory,
- lasery,
- tomografię rezonansu magnetycznego (MRI),
- GPS (korekcje relatywistyczne uwzględniające efekty kwantowe),
- a obecnie rozwijamy komputery kwantowe, które będą w stanie wykonywać obliczenia niemożliwe dla dzisiejszych maszyn.

@Safrani @Mario96w @qbsonFCBarca