Pentru că am fost întrebată de foarte multe

ori „ce este fizica cuantică?”, voi încerca să dau o

definiţie şi o explicaţie acestui domeniu modern

al fizicii. Chiar dacă fizica cuantică este

cunoscută ca neintuitivă, ce şochează sensul

comun şi necesită un formalism matematic mai

sofisticat, noţiunea de cuantic este des vehiculată.

Feynman, un mare teoretician al fizicii cuantice

al secolului XX, a scris: „ nimeni nu înţelege cu

adevărat fizica cuantică.” Altfel spus: «Personne

ne comprend vraiment la physique quantique. »

Fizica cuantică s-a născut din

imposibilitatea fizicii clasice de a explica

fenomene descoperite şi studiate la sfârşitul

secolului al XIX-lea. Componentele de bază ale

fizicii cuantice sunt: mecanica cuantică şi teoria

cuantică a radiaţiei. Fizica cuantică explică

comportarea nucleelor, atomilor, moleculelor,

altor particule subatomice, precum şi

comportarea radiaţiei electromagnetice. Mişcarea

unui corp macroscopic (minge, planetă, vehicul,

etc.) este descrisă de mecanica clasică, astfel

putem prezice poziţia şi viteza corpului la orice

moment de timp pe baza unor date iniţiale. Sub

impulsul faptelor experimentale fizicienii au

ajuns la concluzia că particulele constituiente ale

atomilor şi, în bună măsură, atomii înşişi nu

ascultă de legile mecanicii clasice (newtoniene).

Fizica cuantică s-a născut la începutul secolului

XX, când fizicieni precum Max Planck, Albert

Einstein şi Niels Bohr au făcut primii paşi spre a

explica această lume ciudată a particulelor

subatomice. În 1900 Max Planck a arătat că

schimbul de energie între materie și radiație nu se

face în mod continuu, ci în cantități discrete și

indivizibile, pe care le-a numit cuante de energie

(în latină quantum = câtime, cantitate) cu energia

dependentă de frevenţa radiaţiei după relaţia

ε = h·ν.

Einstein în 1905 a dus ideea un pas mai

departe, postulând că un fascicul luminos constă

dintr-un jet de particule (numite apoi fotoni),

care reprezintă cuante de energie; pe această

bază el a elaborat o teorie cantitativă a efectului

fotoelectric, pe care teoria ondulatorie fusese

incapabilă să-l explice. Analiza experimentelor

de interferență și difracție arată că lumina se

propagă sub formă de unde; aspectul corpuscular

se manifestă însă în procesul emisiei sau

absorbției luminii de către materie.

Acest caracter dual — corpuscular și on-

dulatoriu — al radiației este incompatibil cu fi-

zica clasică.

***

Max Planck este considerat

fondatorul fizicii cuantice,

iar h numită constanta lui

Planck joacă un rol central

în acest domeniu.

Primeşte Premiul Nobel

pentru Fizică în 1918 "Ca

apreciere pentru serviciile

oferite în avansarea Fizicii

prin descoperirea cuantelor

energiei." (motivaţia juriului

Nobel)

***

Teoriile dezvoltate de-a lungul a câtorva

decenii, îndeosebi în prima jumătate a secolului

XX, de minţi strălucite precum Niels Bohr,

Ernest Rutherford, Paul Dirac, Louis de Broglie,

Werner Heisenberg sau Wolfgang Pauli, au

explicat cu mare succes o gamă largă de

fenomene, precum mişcarea electronilor în

anumite materiale, de exemplu în cadrul

microcipurilor care reprezintă baza computerelor

moderne.

Mecanica cuantică este folosită şi pentru a

înţelege fenomenul de supraconductibilitate,

descompunerea radioactivă, funcţionarea

laserului şi multe altele. Louis de Broglie aduce

o ipoteză nouă - mişcarea particulelor este

însoţită de o undă pilot care se propagă prin

spaţiu împreună cu particulele. Descrierea dată

de mecanica cuantică realității la scară atomică

este de natură statistică: ea nu se referă la un

exemplar izolat al sistemului studiat, ci la un

colectiv statistic alcătuit dintr-un număr mare de

exemplare, aranjate în ansamblul statistic după

anumite modele. Rezultatele ei nu sunt exprima-

te prin valori bine determinate ale mărimilor fi-

zice, ci prin probabilități, valori medii și

împrăștieri statistice. Două aspecte ale acestei

descrieri, de o relevanță care le-a conferit rang

de principiu, sunt noțiunile de incertitudine și

complementaritate.

Ce este fizica cuantică?

Prof. Dellia- Raissa Forțu

7

Relațiile de incertitudine pun în evidență

existența unor perechi de mărimi fizice (cum sunt

poziția și impulsul, sau componente diferite ale

momentului cinetic) care nu pot fi determinate

simultan oricât de precis, limita de precizie fiind

impusă de existența unei mărimi fizice funda-

mentale: constanta Planck și fundamentat teoretic

de principiul incertitudinii al lui Heisenberg.

Descrierea fenomenelor la scară atomică are un

caracter complementar, în sensul că ea constă din

elemente care se completează reciproc într-o ima-

gine unitară, din punctul de vedere macroscopic

al fizicii clasice, numai dacă ele rezultă din

situații experimentale care se exclud reciproc.

Niels Bohr însuși a recunoscut că mecanica

cuantică și principiul incertitudinii sunt

contraintuitive când a afirmat: "Cine nu e șocat

de teoria cuantică nu a înțeles nici un cuvânt din

ea." Un mare număr de oameni de ştiinţă

folosesc astăzi teoriile mecanicii cuantice pentru

a oferi o şi mai exactă înțelegere a

comportamentului universului la nivel

microscopic. Ideile de bază ale teoriei sunt

contraintuitive şi vin în conflict cu felul în care

înţelegem realitatea care ne înconjoară. Din

această cauză au apărut şi se iscă în continuare

în sânul comunităţii ştiinţifice internaţionale

veritabile dezbateri filozofice privind înţelesurile

ascunse ale acestor teorii şi repercursiunile lor.

Fizicienii de la NASA susţin că oamenii pot

construi navete spaţiale care să călătorească cu

viteze mai mari ca viteza luminii, făcând astfel

posibilă călătoria în alte galaxii. Viteza warp

prezentată în serialul SF Star Trek nu este

numai posibilă, ci şi realizabilă, declară

specialiştii NASA. Astfel, navetele spațiale vor

putea străbate distanţe care acum sunt imposibil

de parcurs, chiar şi în sute sau mii de ani. Nu

este vorba de fapt de depășirea vitezei luminii,

ci de o nouă tehnică de deplasare, care va

permite “îndoirea” spațiului, asemeni unei coli

de hârtie și deplasarea “prin scurtături”. Dacă o

navă ar fi "închisă" într-o "bulă spațială", ea s-

ar deplasa cu viteza superluminică relativ la

planetele din exteriorul ei și ar sta pe loc relativ

la astronauții care se află în interiorul ei.

Calculele matematice au demonstrat că

atingerea vitezei warp este posibilă, însă ar fi

nevoie de o cantitate uriașă de energie, care ar

necesita un “rezervor” de dimensiunea planetei

Jupiter. Fizicianul mexican Miguel Alcubierre

susține ca spațiul poate fi "îndoit", astfel încât

se va contracta în fața navetei și se va extinde

în spatele ei, însă problema energiei necesare

acestei deplasări rămâne valabilă. Harold

White, de la NASA Johnson Space Center, a

declarat recent, în cadrul simpozionului 100 de

ani Starship de la Houston, că acum este posibil

să înmagazinăm energia necesară, mult mai

ușor decât se credea.

Astfel, energia de care avem nevoie pen-

tru a deplasa o navetă spațială cu viteza warp

este mult mai mică: nu ne trebuie echivalentul

unei planete, ar fi suficient echivalentul unei

mașini.

White a început deja experimente în labo-

rator, pentru a realiza deplasarea cu viteza warp

cu ajutorul unui laser.

Viteza warp

Anecdote

Într-o zi Heisenberg mergând cu vitezã mare este oprit de un polițist și întrebat: "Domnule, stiți

cu ce vitezã circulați?". Heisenberg rãspunde: "Nu, dar știu unde mã aflu."

Care e diferența dintre un mecanic cuantic și un mecanic auto? Mecanicul cuantic îsi poate

bãga mașina în garaj fãrã sã deschidã ușa.

Înscripție pe ușa unui laborator de fizica LASER-ilor: "Nu priviți LASER-ul cu ochiul sãnãtos

pe care îl mai aveți."

8