Aplicatii practice ale mecanicii cuantice

În 1932, Premiul Nobel pentru fizică i-a fost acordat fizicianului german Werner Karl Heisenberg (1901-1976), pentru rolul său în crearea mecanicii cuantice, una dintre cele mai mari realizări din întreaga istorie a ştiinţei.

Mecanica este acea ramură a fizicii care se ocupă de legile generale ce guvernează mişcarea obiectelor materiale. E o ramură fundamentală a fizicii, care, la rândul ei, stă la baza tuturor ştiinţelor. În primii ani ai secolului al XX-lea, a devenit evident faptul că legile mecanicii acceptate la data respectivă nu erau în stare să descrie comportamentul obiectelor extrem de mici, cum ar fi atomii şi particulele subatomice.

Era o situaţie pe cât de deconcertantă, pe atât de stupefiantă, pentru că legile respective funcţionau perfect atunci când erau aplicate obiectelor macroscopice (adică obiectelor care sunt mult mai mari decât atomii individuali).

În 1925, Werner Heisenberg a propus o nouă formulă de adaptare a fizicii, una care era radical diferită de conceptele fundamentale statornicite de Newton. Această nouă teorie, după unele modificări aduse de succesorii lui Heisenberg, s-a dovedit perfect validă, iar astăzi a fost acceptată ca fiind aplicabilă tuturor sistemelor fizice, mici sau mari.

Se poate demonstra matematic că, în cazul sistemelor macroscopice, predicţiile mecanicii cuantice diferă de cele ale mecanicii clasice cu valori care sunt mult prea mici ca să fie măsurate. (Din acest motiv, mecanica clasică - care este din punct de vedere matematic mult mai simplă decât mecanica cuantică - se poate folosi în majoritatea calculelor ştiinţifice). Totuşi, când este vorba de sisteme de dimensiuni atomice, predicţiile mecanicii cuantice diferă substanţial de cele ale mecanicii clasice; experimentele au arătat că în asemenea cazuri sunt corecte predicţiile mecanicii cuantice.

Una din consecinţele teoriei lui Heisenberg este faimosul „principiu al incertitudinii", pe care l-a formulat chiar el, în 1927. Acest principiu este unanim considerat drept unul dintre cele mai profunde şi universale principii ştiinţifice. El specifică anumite limite teoretice ale capacităţii noastre de a face măsurători ştiinţifice. Implicaţiile acestui sistem sunt enorme.

Dacă legile fundamentale ale fizicii împiedică omul de ştiinţă, chiar în împrejurări ideale, să obţină informaţii precise despre sistemul pe care încearcă să-l analizeze, este evident că nu se pot face predicţii exacte nici în privinţa comportamentul ulterior al sistemului analizat. Potrivit principiului incertitudinii, nici o perfecţionare a aparatului de măsură nu ne va permite vreodată să depăşim această dificultate!

În conformitate cu principiul incertitudinii, este în natura lucrurilor ca fizica să nu poată face alte predicţii decât cele de tip statistic. (Un om de ştiinţă care studiază radioactivitatea, de pildă, ar putea fi capabil să precizeze că dintr-un trilion de atomi de radiu, două milioane vor emite în următoarea zi raze gamma. Totuşi, el nu va fi în măsură să spună dacă un anume atom de radiu va emite sau nu.)

În multe situaţii practice, această restricţie nu este gravă. Acolo unde sunt implicate numere mari, metodele statistice pot oferi instrumente foarte precise; dar când e vorba de numere mici, predicţiile statistice sunt într-adevăr inexacte. De fapt, acolo unde sunt implicate sisteme mici, principiul incertitudinii ne obligă să abandonăm ideile noastre de cauzalitate fizică strictă. Aceasta reprezintă cea mai profundă schimbare în filozofia fundamentală a ştiinţei; într-adevăr, atât de profundă, încît un mare om de ştiinţă ca Einstein nu a acceptat-o niciodată. „Nu pot să cred, a spus el o dată, că Dumnezeu joacă zaruri cu Universul." Cu toate acestea, nedeterminarea este un punct de vedere pe care cei mai mulţi fizicieni moderni au crezut necesar să-l adopte.

Este limpede că, din punct de vedere teoretic, teoria cuantică ne-a schimbat concepţiile fundamentale despre lume poate mai mult chiar decât teoria relativităţii. Totuşi, consecinţele teoriei sunt nu numai de natură filozofică.

Printre aplicaţiile ei practice se numără dispozitive moderne, cum ar fi microscoapele electronice, laserul şi tranzistorul. Teoria cuantică are aplicaţii multiple şi în fizica nucleară şi în energia atomică. Ea constituie baza cunoştinţelor noastre în materie de spectroscopie şi este folosită pe scară largă în astronomie şi chimie. De asemenea, se utilizează în investigarea teoretică a unor subiecte foarte diverse, cum ar fi proprietăţile heliului lichid, structura internă a stelelor, feromagnetismul şi radioactivitatea.

Werner Heisenberg s-a născut în Germania, în 1901. Şi-a luat doctoratul în fizică teoretică la Universitatea din Munchen, în 1923. Din 1924 şi până în 1927, a lucrat în Copenhaga cu marele fizician danez Niels Bohr. A publicat prima sa lucrare importantă de mecanică cuantică în 1925, iar în 1927 a formulat principiul incertitudinii. Heisenberg a murit în 1976, în vârstă de şaptezeci şi şase de ani. Cei şapte copii şi soţia i-au supravieţuit.

Heisenberg nu a fost singurul om de ştiinţă angajat în dezvoltarea mecanicii cuantice. Contribuţii semnificative au avut şi predecesorii săi: Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr şi francezul Louis de Broglie. Pe lângă aceştia, mulţi alţi oameni de ştiinţă, printre care austriacul Erwin Schrodinger şi englezul P.A.M. Dirac, au dezvoltat teoria cuantică în anii imediat următori publicării genialei lucrări a lui Heisenberg. Cu toate acestea, Heisenberg a fost personalitatea principală de numele căreia este legată evoluţia mecanicii cuantice şi că, deşi meritul e împărţit, contribuţiile lui sunt cele mai de seamă.

Studiile teoretice de pionierat făcute de Deutsch pe tema computerelor cuantice au fost publicate în 1985, și nu a durat prea mult până la apariția primelor aplicații practice. În 1994, informaticianul american Peter Shor, pe atunci angajat al Laboratoarelor Bell, în New Jersey, a scris primul program menit să ruleze pe un computer cuantic. „Algoritmul lui Shor” este un set de instrucțiuni care permite unui computer cuantic să factorizeze numere mari, adică să descompună un număr în valori mai mici, care înmulțite dau valoarea inițială. Operațiune simplă pentru numere mici, precum 21 (7x3), dar care pentru numere mari, cum ar fi unul compus din 150 de cifre, i-ar lua unui computer obișnuit milioane de ani să o execute. Rulând pe un computer cuantic, algoritmul lui Shor ar putea face asta în câteva minute.

Descoperirea a semănat panică în rândul experților în securitate. De fiecare dată când facem o tranzacție online, informațiile sunt criptate după un sistem care se bazează tocmai pe dificultatea factorizării

numerelor. Banca alege două numere, le înmulțește și ne trimite numărul mare rezultat. Acest număr, numit cheia� �, servește la criptarea tranzacției, însă decriptarea ei necesită cunoașterea ambelor valori de la care s-a plecat. Astfel, chiar dacă un terț fură „cheia”, el trebuie să o factorizeze pentru a accesa tranzacția. Până relativ recent, așa ceva era extrem de greu de făcut. Acum, când computerul cuantic al unui hacker o poate face în câteva minute, întregul comerț electronic este amenințat.

Ceasuri ultraprecise

Ceasurile atomice (foto) sunt cele mai precise orologii cunoscute, cu eroare de o miliardime de secundă pe zi (comparativ cu 0,02 secunde, la un ceasbrățară cu cuarț). Acuratețea lor este derivată din frecvența microundelor emise la trecerea dintr-o stare energetică în alta a electronilor dintr-un atom al izotopului Cesiu-133.

Microundele au frecvența de 9.192.631.770 unde pe secundă (Hertzi). Un detector-contor numără undele și, la atingerea acestei valori,marchează trecerea unei secunde.