Разговор:Квантна механика/Архива 1

Архива 1

Архива 2

Први поднаслов

Ово би требало превести. -- Bojan  Razgovor  07:59, 10. јул 2007. (ЦЕСТ)

Други цланак

ОСНОВЕ КВАНТНЕ ТЕОРИЈЕ

Успех научних теорија, а посебно Њутнове теорије гравитације, навео је француског научника, Маркиза Лапласа, да почетком деветнаестог века утврди да је Универзум потпуно детерминистички. Лаплас је сматрао да постоји скуп научних закона који би требало да нам омогуће да предвидимо све што ће се догодити у Универзуму, под условом да знамо целокупно стање Универзума у датом времену. Примера ради, када бисмо знали положаје и брзине Сунца и планета у неком тренутку, тада бисмо помоћу Њутнових закона могли да израчунамо стање Сунчевог система у било ком другом времену. Детерминизам изгледа прилично очигледан у овом случају, али Лаплас је отишао и корак даље, утврдивши да постоје слични закони који управљају свим осталим областима, укључујући ту и људско понашање.

Доктрини научног детерминизма одлучно су се успротивили многи аутори који су били мишљења да се овим спутава слобода Бога да утиче на свет, али она је ипак формално остала на снази у науци све до раних година XX века. Један од првих показатеља да ће ово уверење морати да буде напуштено уследио је када је из прорачуна британских научника лорда Рејлија и сера Џејмса Џинса произашло да неки топли објекат, или тело, каква је звезда, мора да зрачи енергију у бесконачном обиму. Сагласно законима у чију се исправност веровало у то време, једно топло тело требало је да одашиље електромагнетне таласе (као што су радио-таласи, видљива светлост или рендгенски таласи) равномерно на свим фреквенцама. Примера ради, топло тело требало би да зрачи исту количину енергије на фреквенцама између један и два милиона таласа у секунди, као и на фреквенцама између два и три милиона таласа у секунди. Будући да је фреквенца таласа неограничена, то би значило да је укупна енергија зрачења бесконачна.

Да би избегао овај очигледно бесмислен исход, немачки научник Макс Планк изложио је 14. децембра 1900. године замисао да светлост, рендгенски зраци и остали таласи не бивају емитовани у произвољном обиму, већ само у одређеним пакетима које је он назвао квантима. Осим тога, сваки квант има одређену количину енергије која је тим већа што је већа фреквенца таласа, тако да би на довољно високој фреквенци емитовање само једног кванта захтевало више енергије него што је уопште расположиво. Према томе, зрачење на високим фреквенцама било би смањено, а и стопа којом тело губи енергију била би коначна.

Квантна хипотеза сасвим је добро објаснила измерену количину емитованог зрачења топлих тела, али њен утицај на детерминистичку доктрину био је схваћен тек 1926, када је један други немачки научник, Вернер Хајзенберг, формулисао своје знаменито начело неодређености. Да би се предвидели будући положај и брзина неке честице, потребно је тачно измерити њен садашњи положај и брзину. Очигледни начин да се то учини јесте осветлити честицу. Честица ће рефлектовати један део таласа светлости, што ће указати на њен положај. Но, положај честице неће се моћи тачније одредити него што износи размак између два брега светлосног таласа, тако да је потребно користити светлост кратких таласних дужина да би се прецизно одредио положај честице. Према Планковој квантној хипотези, међутим, не може се употребити произвољно мала количина светлости; треба узети бар један квант. Овај квант ће пореметити честицу и променити њену брзину на начин који не можемо предвидети. Штавише, што тачније меримо положај, то треба користити краће таласне дужине светлости, па је тако већа и енергија једног кванта. А тиме ће и брзина честице бити у већој мери поремећена. Другим речима, што тачније покушавате да измерите положај честице, то мање прецизно можете измерити њену брзину и обрнуто. Хајзенберг је показао да производ неодређености положаја честице, неодређености брзине честице и масе честице не може бити мањи од одређене величине која је позната као Планкова константа. Ово ограничење не зависи од начина на који покушавате да измерите положај или брзину честице, као ни од типа честице. Хајзенбергово начело неодређености представља темељно, неумитно својство света.

Начело неодређености извршило је веома важан утицај на наш начин виђења света. Чак ни сада многи филозофи још нису постали свесни овог утицаја, тако да је он и даље предмет озбиљних контроверзи. Начело неодређености означило је крај сна о једној теорији науке, о једном моделу Универзума који би био потпуно детерминистички: сасвим је извесно да се не могу тачно предвиђати будући догађаји, ако се не може прецизно измерити чак ни тренутно стање Универзума!

Вернер Хајзенберг Нов поглед на стваран свет омогућио је Хајзенбергу, Ервину Шредингеру и Полу Дираку да током двадесетих година XX века преформулишу механику у једну нову теорију која је добила назив квантна механика и која се темељи на начелу неодређености. У овој теорији, честице више немају засебне и сасвим одређене положаје и брзине који се не могу посматрати. Уместо тога, оне имају квантно стање које представља комбинацију положаја и брзине. Уствари, у квантној теорији честице више нису само честице, а таласи нису само таласи, квантна теорија уводи дуалну природу материје по којој се свакој честици приписује талас одређене фреквенце, а сваком таласу се приписује одговарајућа корпускуларна структура.

Уопштено говорећи, квантна механика не предвиђа јединствен и одређен резултат неког посматрања. Напротив, она предвиђа већи број различитих могућих резултата и говори нам о томе какви су изгледи сваког од њих. Другим речима, уколико се предузме исто мерење на великом броју сличних система, који су сви започели на исти начин, установиће се да ће резултат мерења бити А у извесном броју случајева, Б у неком другом броју и тако даље. Могуће је предвидети приближан број пута када ће резултат бити А или Б, али се не може предвидети посебан резултат неког појединачног мерења. Квантна механика, дакле, уводи неизбежан елеменат непредвидљивости или насумичности у науку. Ајнштајн се овоме веома противио, упркос важној улози коју је сам одиграо у развоју ове замисли. Он је, наиме, добио Нобелову награду управо за допринос постављању квантне теорије. Но, Ајнштајн никада није прихватио идеју да Универзумом влада случајност; његово гледање на ову ствар сажето је исказано у знаменитој реченици: "Бог се не игра коцкицама!" Већина других научника, међутим, била је спремна да прихвати квантну механику зато што се она савршено слагала са налазима експеримената. I стварно, била је то изузетно успела теорија, која стоји у темељу готово целокупне модерне науке и технологије. Она управља понашањем транзистора и интегрисаних кола, који представљају кључне делове електронских уређаја као што су телевизори и рачунари, а у основи је и модерне хемије и биологије. Једина подручја физике у која квантна механика још није прикладно уведена јесу гравитација и макрокосмичко уређење Универзума.