Quantum Mechanics 101:Ο οδηγός σας για την κατανόηση αυτού του συγκλονιστικού θέματος
Υπάρχουν ορισμένοι κανόνες για το σύμπαν που συνήθως μπορείτε να θεωρήσετε δεδομένους. Τα αντικείμενα υπάρχουν σε ένα συγκεκριμένο μέρος, σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Η εντροπία (διαταραχή) πάντα αυξάνεται. Η αιτιότητα είναι βασιλιάς — με πλήρη γνώση του παρελθόντος, μπορείτε να έχετε πλήρη γνώση του μέλλοντος.
Καθώς όμως ερευνάτε όλο και μικρότερα κομμάτια ύλης, αυτοί οι κανόνες αρχίζουν να γίνονται λιγότερο αξιόπιστοι. Σε μοριακό ή υποατομικό επίπεδο, ορισμένες κλασικές υποθέσεις παύουν να λειτουργούν και πρέπει να χρησιμοποιήσουμε νέους κανόνες για να κατανοήσουμε την παρατηρούμενη πραγματικότητα. Τα μοναδικά υποατομικά φαινόμενα που φαίνεται να διέπουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων σε αυτές τις κλίμακες αναφέρονται ως κβαντική μηχανική ή κβαντική φυσική.
Ωστόσο, η κατανόηση των βασικών αρχών της κβαντικής μηχανικής είναι πιθανότατα απαραίτητη για την κατανόηση της σύγχρονης φυσικής και της κοσμολογίας — καθώς και θεμάτων όπως ο κβαντικός υπολογισμός, που θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για το επόμενο μεγάλο άλμα προς τα εμπρός στην επιστήμη των υπολογιστών.
Βασικές έννοιες στην Κβαντομηχανική
Εν ολίγοις, η κβαντική μηχανική είναι η μελέτη πολύ μικρών πραγμάτων. Πιο συγκεκριμένα, είναι η μελέτη του πώς η ύλη και η ενέργεια αλληλεπιδρούν στην κλίμακα ατομικών και υποατομικών σωματιδίων.
Αυτές οι αλληλεπιδράσεις αξίζει να εξεταστούν εκτός από την κλασική μηχανική - τη φυσική που πιθανότατα μάθατε στο γυμνάσιο ή στο κολέγιο - επειδή είναι, από πολλές απόψεις, περίεργες. Δεν συμπεριφέρονται όπως θα περίμενε κανείς με καλή γνώση του τρόπου με τον οποίο η ύλη φαίνεται να αλληλεπιδρά με την ενέργεια και την άλλη ύλη σε τυπική, πραγματική κλίμακα.
Η κβαντομηχανική διαφέρει από την κλασική μηχανική με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, αλλά μπορούμε να συνοψίσουμε αυτές τις διαφορές χρησιμοποιώντας μερικά σημαντικά συμπεράσματα:
Αβεβαιότητα
Στην κλασική μηχανική, μπορείτε να γνωρίζετε ακριβώς πού βρίσκεται ένα αντικείμενο και επίσης να περιγράψετε την κίνησή του. Όλα τα φυσικά χαρακτηριστικά ενός αντικειμένου μπορούν να περιγραφούν με την ίδια ταυτόχρονη βεβαιότητα. Στην κβαντομηχανική, ωστόσο, τα πράγματα λειτουργούν διαφορετικά.
Αντίθετα, τόσο η θέση όσο και η κίνηση ενός σωματιδίου δεν μπορούν να γίνουν γνωστά ακριβώς. Όσο ακριβέστερα γνωρίζετε την ορμή ενός αντικειμένου, τόσο λιγότερο ακριβώς γνωρίζετε τη θέση του — και το αντίστροφο.
Κβαντισμός
Στην κλασική μηχανική, ορισμένα χαρακτηριστικά είναι σαν μια κλίση — μεταξύ μιας τιμής και μιας άλλης, υπάρχει μια διαβάθμιση τιμών που μπορεί επίσης να λειτουργήσει. Τα κβαντικά αντικείμενα, από την άλλη πλευρά, έχουν χαρακτηριστικά που μπορούν να έχουν μόνο ορισμένες τιμές.
Όταν αλλάζουν αυτά τα χαρακτηριστικά, ενδέχεται να κουμπώνουν μεταξύ διακριτών τιμών, αντί να μετατοπίζονται σταδιακά από τη μία στην άλλη.
Δυαδικότητα φωτός κυμάτων-σωματιδίων
Η κβαντική θεωρία μας λέει ότι η ύλη, που αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται νετρόνια, ηλεκτρόνια και πρωτόνια, και το φως, που αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια, έχουν κυματοειδείς ιδιότητες.
Στην κλασική φυσική, η ύλη αποτελείται από σωματίδια και συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο. Το φως, όμως, συμπεριφέρεται σαν κύμα. Στην κβαντική φυσική, τα σωματίδια της ύλης μπορούν να συμπεριφέρονται σαν κύμα σε αρκετά μικρές κλίμακες. Το φως μπορεί επίσης να συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο υπό ορισμένες συνθήκες.
Τοπικότητα και μη τοπικότητα
Σε αντίθεση με την κλασική μηχανική, τα αντικείμενα σε κβαντική κλίμακα μπορούν να επιδείξουν μη τοπικότητα ή την ικανότητα αποτελεσματικής υπέρβασης του χώρου.
Η κβαντική εμπλοκή, για παράδειγμα, είναι ένα είδος κβαντικής μη-τοπικότητας. Τα σωματίδια που είναι μπλεγμένα σε κβαντικό επίπεδο συσχετίζονται μόνιμα. Τα φυσικά τους χαρακτηριστικά δεν μπορούν να περιγραφούν ανεξάρτητα, ακόμη και όταν τα σωματίδια χωρίζονται από τεράστιες αποστάσεις. Αυτό που συμβαίνει στο ένα θα επηρεάσει άμεσα και το άλλο. Αυτή η αλλαγή συμβαίνει εξαιρετικά γρήγορα — πιθανώς ταχύτερα από 3 τρισεκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο — και ενδεχομένως στιγμιαία.
Η εξοικείωση με αυτές τις μεγάλες κατηγορίες μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε γιατί η κβαντική μηχανική μπορεί να φαίνεται τόσο ασυνήθιστη σε σύγκριση με την κανονική, καθημερινή φυσική — και επίσης γιατί η κβαντική μηχανική μπορεί να είναι δύσκολο να περιγραφεί ή να εργαστεί με την πράξη.
Η κβαντική μηχανική στην πράξη:το πείραμα της διπλής σχισμής
Ένα κλασικό και πολυσυζητημένο παράδειγμα του παράξενου χαρακτήρα της κβαντικής μηχανικής είναι το πείραμα της διπλής σχισμής — μια προσπάθεια να κατανοήσουμε αν το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα ή σωματίδιο.
Στην απλούστερη εκδοχή του πειράματος, ένας ερευνητής εκτοξεύει μια δέσμη φωτός σε κάποιο είδος ανιχνευτή που μπορεί να καταγράψει πού προσγειώνονται τα σωματίδια. Μεταξύ της δέσμης φωτός και του ανιχνευτή υπάρχει ένα φράγμα με δύο σχισμές. Το φως δεν μπορεί να περάσει μέσα από το υλικό φραγμού — για να φτάσει στον ανιχνευτή, πρέπει να περάσει από μία από τις δύο σχισμές.
Το μοτίβο που προκύπτει είναι μια ζώνη εναλλασσόμενων φωτεινών και σκοτεινών περιοχών — ένα μοτίβο παρεμβολής όπως αυτό που θα βλέπατε αν εκτελούσατε το πείραμα με κύματα νερού.
Γνωρίζουμε, ωστόσο, ότι το φως αποτελείται από μεμονωμένα σωματίδια, που ονομάζονται φωτόνια. Είναι δυνατό να πυροδοτηθούν αυτά τα φωτόνια, ένα κάθε φορά, με αρκετό χρόνο μεταξύ κάθε φωτονίου για να διασφαλιστεί ότι τα διαδοχικά σωματίδια δεν μπορούν να παρεμβαίνουν μεταξύ τους.
Εκτελέστε το πείραμα έτσι και εμφανίζεται το ίδιο μοτίβο παρεμβολής — υποδηλώνοντας ότι αυτά τα μεμονωμένα σωματίδια εξακολουθούσαν να λειτουργούν ως κύμα, ακολουθώντας κατά κάποιο τρόπο πολλαπλές πιθανές διαδρομές και παρεμβαίνοντας στον εαυτό τους.
Η εκτέλεση του πειράματος ξανά, αυτή τη φορά με έναν άλλο ανιχνευτή και στις δύο σχισμές, σας επιτρέπει να προσδιορίσετε από ποια σχισμή περνά κάθε φωτόνιο — ή, θεωρητικά, να παρατηρήσετε αυτά τα φωτόνια να περνούν και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα.
Το μοτίβο που προκύπτει από αυτήν την παραλλαγή του πειράματος δεν είναι μοτίβο κυμάτων, ωστόσο — αντίθετα, θα δείτε το μοτίβο διπλής ζώνης που θα περιμένατε από ένα σωματίδιο.
Όταν δεν παρατηρείται, το φως δρα κυρίως σαν κύμα. Όταν παρατηρούνται, τα μεμονωμένα φωτόνια παύουν να υπάρχουν σε πολλά σημεία ταυτόχρονα και αντ' αυτού συμπεριφέρονται σαν σωματίδιο.
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τη φράση «συνάρτηση κυμάτων» για να περιγράψουν κβαντικά συστήματα που υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις. Η πράξη της παρατήρησης αναγκάζει τη συνάρτηση κύματος φωτονίου να υιοθετήσει μόνο μία από αυτές τις καταστάσεις. Η πρόκληση αυτής της απώλειας υπέρθεσης ονομάζεται "κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης".
Εφαρμογές της Κβαντομηχανικής
Ως επί το πλείστον, η κβαντική μηχανική παραμένει επιστήμη αιχμής και οι εφαρμογές μπορεί μερικές φορές να υστερούν πολύ πίσω από τη νέα έρευνα. Ωστόσο, υπάρχουν ήδη μερικές σημαντικές πιθανές εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής που θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν σημαντικά πεδία όπως η κατασκευή και η επιστήμη των υπολογιστών τις επόμενες δεκαετίες.
Ένα από τα πιο σημαντικά θα είναι πιθανότατα οι κβαντικοί υπολογιστές. Αυτοί οι υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντική αβεβαιότητα και προηγμένη επιστήμη δεδομένων για να δημιουργήσουν έναν νέο τρόπο αποθήκευσης δεδομένων.
Όλες οι πληροφορίες που χρησιμοποιεί ένας κλασικός υπολογιστής αποθηκεύονται σε bit. Αυτά τα δυαδικά ψηφία μπορούν να βρίσκονται σε μία από τις δύο θέσεις — απενεργοποιημένη ή ενεργοποιημένη, που συνήθως αντιπροσωπεύονται ως 0 ή 1.
Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bit ή qubits. Αυτά τα bit μπορούν να βρίσκονται τόσο στις τυπικές θέσεις — ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση — όσο και σε υπέρθεση. Τα bit σε υπερθέσεις βρίσκονται σε πολλαπλές καταστάσεις μέχρι να παρατηρηθούν.
Αυτή η επιπλέον κατηγορία δυνητικών καταστάσεων κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές πολύ καλούς στην επίλυση προβλημάτων με τα οποία μπορούν να αντιμετωπίσουν οι παραδοσιακοί υπολογιστές — όπως, για παράδειγμα, η μοντελοποίηση κβαντικών συστημάτων.
Στην πράξη, αυτό μπορεί να βοηθήσει τους προγραμματιστές υλικού υπολογιστών να συσκευάσουν σημαντικά περισσότερο χώρο αποθήκευσης και επεξεργαστική ισχύ στον ίδιο όγκο — επιτρέποντας μια εκθετική αύξηση της ταχύτητας επεξεργασίας για ορισμένους τύπους προβλημάτων.
Η μοναδική φύση των κβαντικών υπολογιστών θα παρείχε και άλλα πρακτικά οφέλη. Για παράδειγμα, ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα από την Google για τη δημιουργία ενός κρυστάλλου χρόνου — μια εξωτική μορφή ύλης που αλλάζει περιοδικά καταστάσεις χωρίς να καταναλώνει ενέργεια.
Δεν είναι ξεκάθαρο πόσο κοντά είμαστε στο να γίνει αρκετά προηγμένος ο κβαντικός υπολογιστής ώστε να διαχειριστεί προκλήσεις που οι παραδοσιακοί υπολογιστές δεν μπορούν να λύσουν.
Ερευνητές από εταιρείες που έχουν επενδύσει στην τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών, όπως η IBM και η Google, πιστεύουν ότι μπορεί να απέχουμε μόλις χρόνια από τους κβαντικούς υπολογιστές που φέρνουν επανάσταση στην επιστήμη των υπολογιστών στο σύνολό της. Άλλοι πιστεύουν ότι οι υπάρχουσες προκλήσεις μπορεί να καταστήσουν αυτό το είδος κβαντικού υπολογισμού ως επί το πλείστον αδύνατο.
Σε κάθε περίπτωση, είναι πιθανό να μάθουμε πολύ περισσότερα για την πρακτικότητα του κβαντικού υπολογισμού πολύ σύντομα.
Η γνώση της Κβαντικής Μηχανικής μπορεί να αναδιαμορφώσει την επιστήμη
Καθώς η κατανόησή μας για το κβαντικό βασίλειο μεγαλώνει, μπορεί να είμαστε σε θέση να απαντήσουμε σε θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με το σύμπαν και να λύσουμε προβλήματα που προηγουμένως ήταν δύσκολο ή αδύνατο να χειριστούμε.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένα παράδειγμα του πώς αυτή η έρευνα θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον κόσμο. Άλλες εφαρμογές — όπως η κρυπτογραφία με κβαντική ενέργεια και τα κβαντικά μικροσκόπια — θα μπορούσαν να προσφέρουν παρόμοια οφέλη.
