Квантовият свят

Ако успешните научни теории могат да бъдат смятани като решения за упорити проблеми, то квантовата физика е лекарството-чудо на 20 век. Тя успешно обяснява явления като радиоактивност и антиматерия и никоя друга теория не може да се съревновава с нейното описанието на начина, по който светлината и частиците се държат в малки мащаби.

Квантовите обекти могат да съществуват в няколко състояния и положения едновременно, което изисква статистически методи за тяхното описание. Включваща принципа за неопределеност и куп парадокси, квантовата теория е била критикувана за породените съмнения върху идеята за обективната реалност - концепция, която много физици, включително Алберт Айнщайн, са намерили като трудна за приемане.

Днес учените се борят с тези философски главоблъсканици, като се опитват да впрегнат странните свойства на квантови обекти в съвременните технологии и да съчетаят квантовата физика и теорията на относителността в безпроблемната теория на квантовата гравитация.

Раждането на една идея 

Квантовата теория започна да се оформя в началото на 20 век, когато класическите идеи не успяват да обяснят някои наблюдения. Класическите теории допускат вибриране на атомите при всяка честота, което води до неточните прогнози, че те биха могли да излъчват безкрайни количества енергия - проблем, известен като ултравиолетова катастрофа.

През 1900 г. Макс Планк решава този проблем, като приема, че атомите могат да вибрират само в строго определени или квантувани честоти. Той прави гениалното предположение, че електромагнитното лъчение не е непрекъснато, а на малки пакети, които той нарича кванти. След това, през 1905 г., Алберт Айнщайн обяснява законите на фотоелектричния ефект, при който светлината, падаща върху метали освобождава електрони със специфични енергии. Съществуващата теория за светлината като електромагнитна вълна не успява да обясни фотоефекта, но Айнщайн намира решение, като заявява, че светлината може да се разглежда като поток от фотони (кванти) - отделни пакети от енергия. Тази идея му донася спечелването на Нобелова награда за физика през 1921 година.

Квантовата странност

В действителност, светлинния хамелеон, като способност на светлината да се държи като частица или като вълна, в зависимост от експерименталните условия, демотивира учените за дълго време. Датският физик Нилс Бор обясни тази двойственост вълна-частица чрез премахването на идеята за реалност извън собствените ни наблюдения. В своята "Копенхагенска интерпретация", Бор твърди, че самият акт на измерване влияе на това, което наблюдаваме.

Еспериментално е доказано съществуването на фотоните - светлината се квантува като отделни порции енергия само заради начина, по който взаимодейства с материята. Други интерпретации на квантовата теория се справят с проблема за измерването чрез предлагане на крайни по характер концепции. Те предполагат, че Вселената е зависима от измерването. Популярното тълкуване за съществуването на много светове приема, че квантовите обекти имат едновременно различни поведения, защото те обитават безкраен брой паралелни вселени. 

Правилата за неопределеност 

В продължение на около 70 години, тази двойственост „вълна-частица” бе обяснявана от друг смущаващ принцип на квантовата теория - принципа на неопределеността на Хайзенберг. Формулиран от Вернер Хайзенберг през 1927 принципът поставя горна граница на познанията. Той казва, че човек никога не може да знае едновремеменно с голяма точност позицията и импулса на един квантов обект – определянето на точното положение на обекта неизменно променя неговия импулс и обратно.

А.Айнщайн и Н.Бор, 1930

Бор побеждава Айнщайн в серия от мисловни експерименти през 1920 и 1930 г. с помощта на този принцип, но основната причина за двойствеността наблюдавана експериментално е феномен, наречен заплитане.

Заплитането представлява идеята, че в квантовия свят, обектите не са независими, ако взаимодействат един с друг. Те стават свързани, или заплетени, така че промяната в поведението на единия от тях,  неизменно се отразява на другия, без значение колко далеч са един от друг. Те са едновременно обекти и субекти на нещо, което Айнщайн нарича "призрачно действие от разстояние".

Защитени мрежи 

Възможно е това призрачно действие да участва в "телепортирането” на частици на огромни разстояния. Първата телепортация на квантово състояние е осъществена през 1998 г. и учените постепенно заплитат все повече и повече различни видове малки и по-големи частици.

Заплитането може да осигури почти непробиваем метод за комуникация и създаване на компютърни мрежи с висока степен на защита. Квантовите криптографи могат да изпращат "ключове" за декодиране на криптирана информация чрез квантови частици. Всеки опит за външна намеса върху частиците ще наруши тяхното квантово състояние - намеса, която веднага може да бъдат открита.

Поддържането на заплетени квантови частици обаче е трудна работа. Изследователите работят върху това как да увеличат сигнала на частиците и изминатото разстояние.

Квантовата гравитация

Докато три от четирите фундаментални природни взаимодействия-електромагнитното, слабото ядрено и силното ядрено взаимодействие-тези, които работят на много малки мащаби-са добре обяснени с квантовата теория, то гравитацията е нейната ахилесова пета. Гравитационните сили действат в много по-голям мащаб и квантовата теория е безсилна досега да ги обясни.

Най-популярната квантова теория на гравитацията казва, че частиците и силите възникват от вибрациите на малки примки или струни дълги само 10^-35 метра. Днес физиците извършват наблюдения и експерименти, които биха могли да изпробват верността на конкурентните теории. Засега обаче всички учени са на мнение, че квантова физика вероятно ще продължава да бъде най-мощната научна панацея за години напред.

Източник: NewScientist