Revista Tomis

Share on facebook
Share on twitter
Share on whatsapp

Scurte considerații despre timp (XII)

Explicațiile din episodul trecut legate de realitatea cuantică m-au pus în fața unor e-mailuri cu întrebări. De ce totuși nu putem măsura cu aceeași precizie poziția și viteza unei particule cuantice? De ce există particule corelate cuantic? 

Am să spun cu subiect și predicat: la aceste întrebări nu există un răspuns științific. Așa se comportă Natura. Ea, Natura, are legile ei. Legile Naturii sunt ca niște axiome care, spre norocul nostru, admit descriere matematică. Modelul matematic creat ne permite să facem predicții pe care fizicienii experimentaliști le verifică prin experimente. Dacă predicțiile sunt confirmate de experimente, modelul nostru este funcțional. Dacă nu, trebuie schimbat modelul matematic. Şi acest lucru s-a întâmplat de foarte multe ori în istoria științei. 

Pentru a exemplifica ceea ce am spus, încep de la evoluția înțelegerii noastre în problematica structurii atomului până când ajungem să înțelegem cum apare matematica principiului de incertitudine. Care matematică, ca un magician iscusit, va ajunge să creeze materie și să facă să dispară materie, permițându-ne să înțelegem la alt nivel teoria cuantică.

Modelul atomului în care particule cu sarcini electrice pozitive pluteau într-o mare de sarcini electrice negative a fost creat de Thomson prin observații asupra existenței acestui tip de particule în atomii de hidrogen.  

A fost infirmat de Rutherford datorită înțelegerii corecte a unui experiment făcut de Geiger și Marsden, experiment care implica o foiță de aur, un flux de particule  alfa și celebrul contor Geiger care detectează particulele radioactive. Rutherford a dedus că atomul are un nucleu încărcat cu particule pozitive electric și electroni încărcați negativ care „gravitau” în jurul nucleului precum planetele în jurul Soarelui. Evident acum, acest model era greșit. Un astfel de atom ar avea un timp de viață extrem de mic. Electronii s-ar prăbuși peste nucleu pentru că sarcinile electrice de semne contrare se atrag. Mai mult, nucleul nu ar trebui să existe, pentru că este format din sarcini electrice pozitive care ar trebui să se respingă. 

Niels Bohr a propus un model de atom în care electronii se puteau mișca numai pe orbite care corespundeau unor anumite nivele de energie. Electronii putea să sară de pe un nivel pe altul doar dacă erau loviți de fotoni (priviți ca pachete de energie) care aveau exact energia necesară să treacă de la nivelul energetic unu la nivelul energetic doi, să zicem. Dar și acest model în care coexistau aspecte cuantice cu aspecte clasice a fost înlocuit. În fapt, tot ceea ce putem spune despre atom este în context probabilistic. Putem să spunem unde, pe acele orbite, cu probabilitate dată, s-ar putea găsi electronul. Şi nu trebuie să credeți că asta înseamnă puțin. Vorbim despre ceva extrem de mic. Dacă creștem dimensiunea unui atom de hidrogen până la dimensiunea unui teren de fotbal, nucleul este de dimensiunea unui bob de orez în mijlocul unui spațiu gol. Electronul, de dimensiune mai mică decât firul de nisip, se află undeva la marginea terenului. Pașii pentru înțelegerea lucrurilor de mai sus au fost făcuți începând cu Schrödinger, cel care a privit electronul ca funcție de undă care verifica celebra ecuație pe care chiar el a creat-o. Au continuat cu Max Born, care a explicat că electronul nu trebuie înțeles numai ca undă, ci și ca particulă. Pentru că exact ca și fotonul, electronul apare fie ca undă, fie ca particulă, în funcție de experimentul în care este studiat. Să-l privești numai în descrierea lui ondulatorie conform ecuației lui Schrödinger înseamnă să-i neglijezi aspectele dintr-o descriere corpusculară. Or, tocmai descrierea corpusculară este cea implicată în relația de incertitudine poziție-viteză care poate fi descrisă matematic. Subliniez, poate fi descrisă matematic dar nu putem să spunem de ce Natura funcționează așa. Una dintre cele trei posibile descrieri matematice ale incertitudinii poziție-viteză contribuie la înțelegerea nivelurilor energetice ale unei particule care oscilează liber. Poziția și viteza particulei definesc doi operatori, unul care creează materie și altul care anihilează materia. A fost una dintre acele zile faste ale vieții mele când am înțeles cum funcționează acești doi operatori ai lui Dirac. Mi se părea fantastic să văd matematica în stare să distrugă și să creeze materie. Iar materia în sine era energia care ne muta de la un nivel energetic la altul. Nu în mod continuu, ci prin salt cuantic. Era exact ca în cazul orbitelor posibile ale electronului în atom. Paul Dirac a înlocuit soluția complicată a oscilatorului armonic cuantic cu acești operatori care ne calculează simplu și direct valorile nivelurilor de energie admisibile. Modelul matematic creat astfel poate conduce la predicții verificabile experimental.  

Rezultatele lui Paul Dirac în mecanica cuantică i-au adus premiul Nobel. Ecuația lui Dirac conduce la predicția existenței antimateriei, deci lui i se datorează faptul că au fost creați în laborator atomi de antihidrogen și antiheliu. Este cel care a pus bazele teoriei cuantice a câmpurilor și a introdus în cosmologie ipoteza scalelor de dimensiune, una dintre cele mai profunde observații care leagă Universul mare, cel al teoriei relativității, de universul mecanicii  cuantice despre care am discutat în ultimile episoade. Dirac a calculat că raportul dintre raza Universului observabil și cea a electronului este de ordinul lui 3 × 10 la puterea 40 și raportul dintre vârsta Universului și timpul necesar luminii pentru a trece printr-un electron este de ordinul lui 6 × 10 la puterea 40. Acest lucru nu poate fi întâmplător a concluzionat Dirac, este ceva legat de însăși cheia existenței Universului. Iar această discuție extrem de interesantă o vom continua în episodul următor când vom vorbi despre principiul antropic.

Să spunem în încheiere și că există o povestioară apocrifă care circulă în mediul academic despre faptul că Paul Dirac vorbea extrem de puțin. Colegii săi ar fi inventat o unitate de masură, „diracul”, care măsoară numărul de cuvinte folosite pe zi de Paul Dirac. Niciodată, afirmă povestioara, nu ar fi existat vreun coleg care să măsoare 10 „diraci”.

CITEȘTE ȘI

Scurte considerații despre timp (XI)

Este stranie mecanica cuantică! Realitatea cuantică este diferită de realitatea fizicii clasice, așa cum am văzut în episodul trecut. Astăzi vom vedea alte două exemple care să confirme acest fapt. Să începem:

Dacă în lumea reală vrei să omori o muscă cu un plici, nu ai decât să o lași să se așeze undeva și o plesnești. Dacă însă vrei să omori o „muscă cuantică”,

Citește mai mult »

Scurte considerații despre timp (X)

Pisica lui Schrödinger ne-a introdus în universul cuantic. Am înţeles ce înseamnă funcţie de undă, superpoziţie cuantică, observaţie, colaps al funcţiei de undă. Să reamintim că asupra pisicii se făceau periodic observaţii. Până să se facă observaţia, pisica era în superpoziţia vie/moartă, adică era şi vie şi moartă în acelaşi timp. Asta pentru că starea ei depindea de superpoziţia nedezintegrat/dezintegrat a izotopului radioactiv care îi controla viaţa.

Citește mai mult »
Mai multe texte
RUBRICI: