PIONERII MECANICII CUANTICE

O scurta istorie a celei mai de succes teorii din Fizica Moderna

Cei doi mari ”stalpi” ai stiintei de pe planeta noastra sunt mecanica cuantica, cruciala in lumea microscopica, si teoria gravitatiei a lui Einstein.
Mijloacele teoretice ale mecanicii cuantice si relativitatii generale ne permit sa facem predictii testabile in legatura cu evenimentele fizice care au loc de la dimensiuni atomice si subatomice la galaxii, roiuri de galaxii si chiar pana la evolutia si structura universului insusi.
La prima vedere universul pare guvenat de legi inradacinate in concepte clasice: de pilda, o particula sau un corp avand pozitia si viteza bine determinate la orice moment de timp. Dar dupa o cercetare amanuntita la nivel microscopic ne dam seama ca aceste idei clasice, familiare noua, trebuiesc modificate. Universul este guvernat cu o precizie extrema de mecanica cuantica. Fizicienii au inteles ca legile fizicii sunt de fapt legi cuantice.
In continuare o scurta istorie a celei mai de succes teorii din produsa vreodata de omenire:

  1. Despre mecanica cuantica se spune ca s-a nascut in anul 1900, atunci cand fizicianul german MAX PLANCK a calculat energia campului electric aflat in echilibru in interiorul unei cutii inchise si a explicat distribu?iei radia?iei emise de un corp negru. Pentru a obtine o formula care sa reproduca rezultatele experimentale, s-a vazut silit sa folosesca un truc care pare absurd; si-a imaginat ca energia campului electric este distribuita in “cuante”, mici pachete, caramizi de energie. A presupus ca dimensiunea pachetelor depinde de frecventa (adica de culoarea) undelor electromagnetice. Pentru unde de frecventa ?, Planck a presupus ca fiecare unda, adica fiecare pachet, are energia proportionala cu frecventa: E=h?. Aceasta e prima formula a mecanicii cuantice; h este o noua constanta, numita acum “constanta lui Planck”. Este constanta care spune cata energie se afla in fiecare ”pachet” de energie pentru lumina de frecventa (culoare) ?. Constanta h determina scara tuturor fenomenelor cuantice.
    Ideea ca energia e alcatuita din pachete finite contrazicea tot ce se stia la acea vreme: la aceea vreme, energia era socotita ca ceva care poate varia continuu, si nu exista motive sa fie tratata drept ceva format din granule.
    Legea lui Planck a fost prima teorie cuantica in fizica.
    MAX PLANCK a primit in 1918 Premiul Nobel in Fizica “în semn de recunoa?tere a serviciilor pe care le-a oferit pentru progresului fizicii prin descoperirea cuantelor de energie”.
  2. Cel care, cinci ani mai tarziu, a inteles ca pachetele de energie ale lui Planck sunt reale a fost ALBERT EINSTEIN-iarasi Einstein! Intr-un articol trimis la Analen der Physik in 1905, Einstein arata ca lumina este intr-adevar alcatuita din granule, din particule de lumina. O face plecand de la un fenomen ciudat obsevat cu putin timp in urma: efectul fotoelectric. Exista substante care, atunci cand sunt lovite de lumina, genereaza curent electric, adica emit electroni. S-a observant insa ca fenomenul are loc, sau nu are loc, in functie de culoarea luminii (frecventa), iar nu de intensitatea luminii (energia). Fenomenul are loc numai daca frecventa luminii e inalta, si nu are loc daca frecventa e joasa. Un lucru ciudat: rational ar fi ca, daca energia luminii e mica, adica daca lumina e slaba, sa ne asteptam ca fenomenul sa nu aiba loc, dar sa aiba loc daca energia e suficienta, adica lumina e intensa. In fizica clasica acest fenomen nu poate fi explicat. Einstein reia idea lui Planck cu ‘pachetele de energie”, a caror dimensiune depinde tocmai de frecventa, si intelege ca daca aceste pachete sunt reale, fenomenul se explica. Daca ne inchipuim ca lumina vine in granule de energie, atunci, un electron lovit de un graunte va fi saltat afara din atom daca grauntele care-l loveste are multa energie, ceea ce conteaza este energia fiecarui graunte, si nu numarul lor. Daca lumina e foarte intensa, adica exista multe pechete de lumina, electronii nu vor fi extrasi din atomii lor daca dimensiune fiecarei particule de lumina e prea mica, adica daca frecventa luminii e prea joasa. Aceasta explica de ce culoarea si nu intensitatea luminii determina daca are loc sau nu fenomenul fotoelectric.
    Pentru acest simplu rationament ALBERT EINSTEIN a primit in 1921 Premiul Nobel.
    Celebrul fizician Albert Einstein a facut un pas inainte si a schimbat totul. Desi Einstein e celebru mai ales pentru teoria relativitatii, mutatia sa cea mai indrasneata si mai radicala priveste lumea stranie a mecanicii cuantice. Evolutia fizicii ne-a facut sa trecem de la cadrul clasic la unul modificat de perspectiva cuantica. Daca Planck este tatal biologic al teoriei cuantice, Einstein este cel care i-a dat nastere si a crescut-o. Dar, teoria s-a dezvoltat apoi pe cont propriu, iar Einstein n-a mai reccunoscut-o. Cel care i-a calauzit pasii a fost danezul Niels Bohr.
  3. NIELS BOHR, un faimos om de stiinta, a studiat structura atomilor, despre care despre care, in primii ani ai secolului trecut, se stia cate ceva. Experimentele aratasera ca atomul e ca un mic sistem solar: masa lui e concentrata intr-un nucleu central in jurul caruia se rotesc electronii usori. Ideea nu explica insa un fapt simplu: de ce materia e colorata, de ce sarea e alba si piperul e negru. Studiind in detaliu lumina emisa de atomi, rezulta ca substantele elementare au culori specifice. Intrucat culoarea e data de frecventa luminii, lumina e emisa de substante doar cu anumite frecvente. Ansamblul frecventelor caracterizand o substanta se numeste “spectrul” acelei substante. Un spectru e un set de linii fine in care se descompune(de pilda cu ajutorul unei prisme) lumina emisa de o anumita substanta. Dar nimeni nu putea explica de ce fiecare substanta avea un spectru caracteristic ei.
    Niels Bohr a scris formule simple care preziceau propietatile elementelor chimice inainte de a fi masurate, ca de exemplu, frecventa luminii emise de elementele incalzite: culoarea pe care o capata. Dar formulele erau incomplete: nu permiteau calculul intensitatii luminii. Aceste formule aveau si ceva absurd: presupuneau, fara nici un motiv, ca electronii din atom se invarteau in jurul nucleului doar pe anumite orbite precise, aflate la anumite distante precise de nucleu, cu anumite energii precise; pentru ca apoi sa “salte” ca prin farmec de pe o orbita pe alta.
    Bohr reuseste sa calculeze spectrele tuturor atomilor, si chiar sa prezica corect spectre inca neobservate. Succesul experimental al acestui model simplu elaborat de Bohr a fost uimitor. Evident, trebuie sa fie ceva adevarat in aceste presupuneri, desi contrazic toate ideile despre materie si dinamica ei. De ce tocmai acele orbite ? Ce anume sunt acele salturi misterioase de pe o orbita pe alta? Ce forta necunoscuta poate impinge un electron la un comportament atat de bizar? Salvarea situatiei vine de la mecanica cuantica, dar întalegerea exacta a fenomenului este destul de contraintuitiv.
    NIELS BOHR a primit Premiul Nobel in 1922 “pentru serviciile sale în investigarea structurii atomilor si a radiatiilor emanate de ei”
  4. Putem spune ca nasterea, cu adevarat, a mecanicii cuantice s-a produs in 1925 cand tanarul fizician WERNER HEISENBERG s-a hotarat sa sa rezolve problema ridicata de Niels Bohr privind teoria atomului: de ce ocupa electronii in atomi numai anumite orbite permise, cu anumite energii bine definite? Heisenberg s-a adancit in rezolvarea problemei. Nu parea sa existe nici o forta rationala care sa dirijeze electronii pe acele orbitele stranii si sa-i oblige sa efectueze salturile ciudate ale lui Bohr. Si totusi, acele orbite si acele salturi duceu la predictii bune ale fenomenelor atomice. Descurajarea il face pe Heisenberg sa recurga la remedii exteme si idei radicale, asa cum a procedat si Einstein cu douazeci de ani in urma. Ideea i-a venit cand se afla pe insula Sfanta din Marea Nordului, numita Helgoland, o idee sortita sa zguduie intreaga fizica, intreaga stiinta, intreaga noastra conceptie despre lume. Idee pe care omenirea inca nu a digerat-o indeajuns. Probabil cea mai mare revolutie stiintifica din toate timpurile.
    Din moment ce nimeni nu putea observa vreodata direct orbita electronului in atom, Heisenberg s-a hotarat sa opereze numai cu marimi ce pot fi masurate, si anume cu energiile starilor cuantice in care toti electronii atomului ocupa doar orbite permise si cu ratele la care un atom ar putea efectua o tranzitie spontana dintr-o stare cuantica in alta, prin emisia unei particule de lumina (foton). Teoria lui Heisenberg e derutanta: o descriere fundamentala a miscarii particulelor, in care acestea nu sunt descrise prin pozitia lor la orice moment, ci prin pozitia in anumite momente, cele in care interactioneaza cu ceva. Aceasta reprezinta cea de a doua piatra de temelie a mecanicii cuantice: aspectul relational al tuturor lucrurilor. Prima piatra de temelie a teoriei cuantice find granularitatea materiei si a luminii, adica granularitatea fundamentala a naturii.
    Constanta lui Plank h stabileste scara elementara a acestei granularitati. Nu stim cu certitudine unde va fi electronul dar putem calcula probabilitatea ca el sa apara intr-un loc sau altul. Mecanica cuantica aduce probabilitatea in centrul evolutiei lucrurilor. Este o schimbare radicala fata de teoria lui Newton, in care e posibil sa prezici viitorul cu certitudine. Aceasta nedeterminare este a treia piatra de temelie a mecanicii cuantice.
    Electronii nu exista intotdeauna. Ei exista numai cand interactioneaza. Se materializeaza intr-un loc atunci cand se ciocnesc cu alceva. Salturile de pe o orbita pe alta e singurul lor mod de a fi reali: un electron e un ansamblu de salturi de la o interactiune la alta. Cand nimic nu-l perturba electronul nu exista nicaeri. In loc sa scrie pozitia si viteza electronului, Heisenberg scrie tabele de numere(matrici). Inmulteste si imparte tabele de numere reprezentand posibile interactiuni ale electronului. Si, ca din bagheta unui magician rezultatele se potrivesc perfect cu observatiile. Sunt primele ecuatii fundamentale ale mecanicii cuantice. De atunci incoace, aceste ecuatii au functionat perfect. In acest prim articol privind mecanica cuantica, Heisenberg a dat o lovitura de adevarat magician. Motivatiile lui Heisenberg pentru pasii matematici din acest articolul par incalcite si greu de inteles chiar si pentru un fizician care pretinde ca a inteles mecanica cuantica. In acest sens articolul lui Hisenberg reprezinta magie pura, un adevarat calcul vrajitoresc.
    Lumea mecanicii cuantice, deschisa pentru noi de calatoria unui tanar fizician pe Insula Sfanta din marea Nordului, mi se pare extraordinar de fumoasa. Cine stie, poate aici, pe o insula indepartata din Marea Nordului, Dumnezeu i-a vorbit lui Heisenberg, ajutandu-l sa risipeasca pacla care ne incetosa ochii, sa ridice valul care statea intre noi si adevar.
    WERNER HEISENBERG a primit in 1932 Premiul Nobel in Fizica “for the creation of quantum mechanics”.
  5. Mecanica cuantica predata acum in facultati si folosita de fizicieni si chimisti nu e de fapt mecanica matriciala a lui Hisenberg, ci un formalism matematic echivalent-mult mai comod insa-dezvoltat ceva mai tarziu de ERWIN SCHRODINGER si completata mai apoi de PAUL ADRIEN MAURICE DIRAC. Dirac isi da seama ca teoria poate fi aplicata direct campurilor, cum e cel electromagnetic, si poate fi pusa in acord cu relativitatea restransa.
    In versiunea mecanicii cuantice dezvoltate de Schrodinger, fiecare stare fizica posibila a unui sistem e descrisa printr-o cantitate numita functia de unda a sistemului, oarecum asemanator modului in care lumina e descrisa ca o unda a campurilor electric si magnetic. De fapt abordarea mecanicii cuantice prin functii de unda aparuse inainte de lucrarile lui Heisenberg si ale lui Schrodinger, atunci cand in 1923, LOUIS DE BROGLIE, in teza sa de doctorat, a intuit ca electronul poate fi privit ca un fel de unda avand o lungime de unda legata de impulsul sau, la fel cum lungimile se unda ale luminii sunt legate de impulsul fotonilor, conform teoriei lui Einstein. De Broglie sugereaza ca putem sa ne imaginam electronul ca pe o unda care se propaga, ca valurile marii sau ca undele electromagnetice. De Broglie nu a banuit insa semnificatia fizica a undei si nu a inventat nici o ecuatie dinamica de unda. Schrodinger e captivat de idea ca traiectoriile particulelor elementare sunt si ele numai aproximatii ale comportamentului unei unde subiacente. Schrodinger a fost acela care a transformat ideea lui De Broglie privind unda electronului intr-un formalism matematic precis si coerent aplicabil electronilor sau altor particule din orice fel din atom sau molecula. Splendidul calcul al lui Schrodinger pare sa arate ca lumea microscopica nu e constituita din particule, ci din unde. In jurul nucleelor atomilor nu se rotesc punctisoare de materie; acolo sunt ondulatii continue ale undelor Schrodinger, ca micile valuri ca reincretesc suprafata unui lac batut de vant.
    In central abordarii lui Schrodinger se afla o ecuatie dinamica (cunoscuta de atunci ca ecuatia lui Schrodinger) care dicteaza modul in care unda oricarei particule date se modifica in timp. Ecuatia lui Schrodinger este din punct de vedere matematic acelasi tip de ecuatie( ecuatie diferentiala cu derivate partiale) care a fost folosita in secolul XIX pentru a studia undele sonore sau luminoase. Folosind ecuatia Schrodinger, fizicienii au putut calcula energiile si alte propietati pentru tot felul de atomi si molecule. A fost o epoca de aur pentru fizica. In ciuda acestui succes, nici De Broglie nici Schrodinger si nici vreun alt fizician nu au stiut la inceput ce fel de cantitate fizica oscila intr-o unda a electronului.
    ERWIN SCHRODINGER si PAUL ADRIEN MAURICE DIRAC au primit in 1933 Premiul Nobel in Fizica.
    Citatia oficiala spune ca Premiul Nobel a fost acordat lui Paul Dirac si Erwin Schrödinger pentru: ” discovery of new productive forms of atomic theory
  6. A venit MAX BORN si a propus interpretarea functiei de unda in termeni de probabilitati. E natural sa descrii electronul calatorind prin spatiul gol ca un pachet de unde. Ecuatia lui Schrodinger arata ca atunci cand un asemenea pachet de unde loveste un atom, el se destrama; undele se imprastie in toate directiile, la fel ca stropii de apa atunci cand jetul unui furtun loveste o piatra. E un lucru straniu; electronii care lovesc atomii zboara intr-o directie sau alta fara sa se rupa, ei raman electroni. Electronul nu se rupe dar poate fi imprastiat in orice directie, iar probabilitatea ca electronul sa fie imprastiat intr-o anumita directie este mai mare acolo unde valorile functiei de unda sunt mai mari. Cu alte cuvinte, undele electronului sunt unde care reprezinta ceva; semnificatia lor este ca valoarea functiei de unda in orice punct ne da probabilitatea ca electronul sa se afle in acel punct sau in apropierea lui. Max Born intelege ca valoarea funtiei de unda a lui Schrodinger intr-un punct din spatiu determina probabilitatea observarii electronului in acel punct. Daca un atom emite un electron si e inconjurat de contoare Geiger, valoarea functiei de unda Schrodinger in punctul unde se afla un contor determina probabilitatea ca acel contor, si nu altul, sa inregistreze electronul. Functia de unda Schrodinger nu este deci reprezentarea unei entitati reale: e un instrument de calcul care ne spune care e probabilitatea producerii unui anumit eveniment real.
    La nivel cuantic, lumea e un loc agitat, fluctuant cu probabilitati si incertitudini. Mecanica cuantica nu e o teorie care prezice viitorul pornind de la trecut asa cum face mecanica newtoniana, ci determina in schimb probabilitati pentru posibilele rezultate alternative privind viitorul unei particule. Aceste probabilitati sunt cuprinse in obiectul matematic fundamental al mecanicii cuantice-functia de unda, a carei forma si evolutie in timp este data de ecuatia lui Schrodinger.
    MAX BORN a primit in 1954 Premiul Nobel in Fizica pentru “fundamental research in quantum mechanics, especially in the statistical interpretation of the wave function”.
  7. Ecuatia lui Schrodinger are insa o problema: nu este compatibila cu teoria relativitatii restranse a lui Einstein. Ecuatia lui Schrodinger e perfect adevarata pentru descrierea atomului de hidrogen, in care un electron se roteste in jurul protonului solitar din nucleu cu mai putin de un procent din viteza luminii. Totusi forta electrica ce leaga electronii de nucleul atomic e cu atat mai mare cu cat sunt mai multi protoni in nucleu. In atomii cei mai grei, precum cei de uraniu, aceasta forta poate face ca electronii sa se rotesca cu viteze apropiate de cea a luminii. Ecuatia lui Schrodinger e inadecvata pentru descrierea unor asemenea particule, e nevoie de o ecuatie compatibila cu relativitatea restransa, iar asta a cautat fizicianul PAUL ADRIEN MAURICE DIRAC.
    Sarcina lui Dirac era sa generalizeze ecatia lu Schrodinger pentru electron, sa gaseasca o formula cuprinzatoare din care ecuatia lui Schrodiger sa rezulte ca un caz particular atunci cand viteza e mult mai mica decat cea a luminii. Dirac a descoperit ca electronii pot satisfice teoria relativitatii restranse a lui Einstein numai daca au spin (intr-un anumit sens spus: daca electronul se poate roti), cea ce a fost un mare triumf in fizica; dar el a decoperit si ca teoria putea fi satisfacuta numai daca electronilor li se permitea sa aibe energie atat pozitiva, cat si negativa, ceea ce parea un dezastru. Dirac a iesit din impas, a prezis existenta unui nou tip de particula, avand aceiasi masa ca electronul si sarcina opusa, pe care a numit-o “antielectron”.
    Fizicienii au fost uimiti de frumusetea ecuatiei lui Dirac si frapati de puterea ei de a face predictii despre lumea reala, dar pe multi i-a nelinistit predictia electronilor cu energie negativa.
    Dirac a prezis nu doar un partener cu sarcina pozitiva al electronului, mai mult, a aratat ca, la fel cum descrierea relativista a electronului implica existenta antielectronului, o descriere relativista a protonului implica existenta unui antiproton. Natura trebuie sa-si fi duplicat toate particulele fundamentale, si exista o lume in oglinda alcatuita din electroni pozitivi si protoni negativi, un univers din “antimaterie”.

Dirac si-a asumat un mare risc scriind o ecuatie, motivat doar de dorinta de a face teoria cuantica si relativitatea restransa compatibile matematic, teorie care prezice multe lucruri pe care mai tarziu fizicienii le-au observant in lume, cum ar fi spinul cuantic si particulele de antimaterie, gasite de fizicieni in jeturile de razele cosmice. Nu doar frumusetea ecuatiei e de admirat, de admirat e si curajul intelectual al lui Dirac in formularea ei. Dirac e asezat in randul fizicienilor magicieni. Ecutaia lui e inscriptionata pe o placa patrata comemorandu-l pe fizician, pe pardoseala de la Westminster Abbey, in Londra.
Pe Dirac l-a frapat faptul ca matematica descrie desavarsit natura.”Pare sa fie una din trasaturile fundamentale ale naturii faptul ca legile fundamentale ale fizicii sunt descrise in termenii unei teorii matematice de o frumusete si forta, pentru a carei intelegere e nevoie de un standard matematic foarte inalt”, spunea el. Dirac a continuat sa speculeze:”Am putea eventual descrie situatia spunand ca Dumnezeu e un matematician de foarte mare clasa, si ca El a folosit o matematica avansata in construirea universului “.
Fara indoiala, cea mai puternica demonstratie a legaturii profunde intre matematica si universul fizic este ecuatia lui Dirac. Desi descrierea sa a electronului, compatibila atat cu teoria cuantica, cat si cu relativitatea restransa, a fost nascocita exclusiv pe temeiul coerentei matematice, ea a prezis nu doar existenta spinului cuantic, ci si a universului nebanuit pana atunci al antimateriei.
Intrebarea de ce traim intr-un univers format din materie e un mister profund, fiinca toate procesele cunoscute de creare de particule, cum ar fi generarea de perechi, produc cantitati egale de materie si antimaterie.
In 1930, Dirac scrie o carte in care elucideaza splendid structura formala a noii teorii. Inca si azi, cartea lui Dirac e cel mai bun manual de mecanica cuantica.
Mecanica cuantica a lui Dirac este teoria folosita astazi de orice inginer chemist sau de orice specialist in biologie moleculara. In ea fiecare obiect e definit de un spatiu abstract (un spatiu Hilbert), si nu are nici o propietate in sine, in afara celor care nu se schimba niciodata, precum masa. Pozitia si viteza lui, momentul lui cinetic si potentialul lui electric etc. capata realitate numai cand obiectul se ciocneste-“interactioneaza” cu alt obiect. Nu doar pozitia lui e nedeterminata, cum intelesese Heisenberg, dar nici o variabila a obiectului nu e definita in rastimpul dintre o interactiune si urmatoarea. Aspectul relational al teoriei devine universal.
Mecanica cuantica a lui Dirac ne permite asadar sa facem doua lucruri. Primul este sa calculam ce valori poate lua o variabila fizica. Asta se numeste “calculul spectrului unei variabile” si surprinde natura granulara a lucrurilor. Al doilea lucru pe care mecanica cuantica a lui Dirac ni-l permite sa-l facem este sa calculam probabilitatea ca o valoare sau alta a unei variabile sa apara la urmatoarea interactie. Se numeste “ calculul amplitudinii de tranzitie”. Teoria nu ne spune ce se intampla intre o interactiune si urmatoarea-din perspectiva ei, nu exista asa ceva.
Probabilitatea de a gasi un electron sau orice alta particula intr-un punct sau in altul din spatiu poate fi imaginata ca un nor difuz, mai dens acolo unde probabilitaatea de a vedea particula e mai mare. Uneori e util sa vizualizezi norul a si cum ar fi un lucru real. De pilda, norul care reprezinta un electron in jurul nucleului ne spune unde e mai probabil ca electronul sa apara daca incercam sa-l vedem. Pesemne ca i-ati intalnit in scola- acestia sunt “orbitalii” atomici. ”Norul” care reprezinta punctele din spatiu unde e probabil sa se afle electronul, e descris de obiectul matematic numit “functie de unda”.. Fizicianul Erwin Schrodinger a gasit ecuatia care descrie evolutia ei in timp.
PAUL ADRIEN MAURICE DIRAC a primit in 1933 Premiul Nobel in Fizica inpreuna cu ERWIN SCHRODINGER pentru” discovery of new productive forms of atomic theory”.
Paul Dirac este considerat cel mai tanar fizician teoretician laureat Nobel, care la varsta de 31 de ani a primit acest premiu (dupa fizicianul chinez Tsung-Dao Lee, care in 1957, la varsta de 30 ani, a primit Premiul Nobel si fizicianul englez Lawrence Bragg care in 1915, la varsta de 25 de ani, a primit impreuna cu tatal sau William Henry Bragg premiul Nobel in Fizica)

  1. Teoriile cuantice pot fi formulate in mai multe moduri, dar probabil cea mai intuitiva descriere a fost data de RICHARD FEYNMAN. Poate parea straniu, dar in cea mai mare parte a fizicii fundamentale formularea lui Feynman se dovedeste mai utila decat cea initiala data de Schrodinger si Dirac. In teoria lui Feynman, matematica si imaginea fizica difera de cele din formularea initiala a fizicii cuantice, dar predictiile sunt aceleasi.
    Feynman descrie principiile mecanicii cuantice intr-un mod care sa nu ceara o cunoastere prealabila a teoriei ecuatilor cu derivate partiale. Cred ca incercarea de a prezenta mecanica cuantica in aceasta maniera neobisnuita prezinta ceva interesant chiar si pentru un fizician. Modul obisnuit de a preda mecanica cuantica studentilor care isi aleg fizica ca specialitate, folosind intregul aparat al ecuatiilor diferentiale, face teoria mai greu abordabila.
    Teoria lui Feynman, la care ne-am referit mai sus, ne da o imagine foarte clara privind felul in care poate aparea reprezentarea newtoniana asupra lumi din mecanica cuantica, desi cele doua par atat de diferite.
    Conform lui Feynman un sistem nu are o singura istorie, ci toate istoriile posibile. Pare o idee radicala chiar si pentru multi fizicieni. Intr-adevar, la fel ca multe alte notiuni din stiinta de astazi, si aceasta pare sa contrazica bunul simt.
    In 1948 Richard Feynman a dezvoltat o metoda grafica pentru a calcula efectele cuantice folosind diagrame care reprezinta interactile dintre particule si campuri. Diagramele, numite acum diagramele Feynman, sunt mult utilizate in teoria cuantica a campului si in fizica particulelor elementare. Feynman a contribuit si la dezvoltarea electrodinamicii cuantice pentru care a primit Premiul Nobel(vezi in continuare).
  2. PAUL ADRIEN MAURICE DIRAC este considerat de multi cel mai mare fizician al secolului XX dupa Einstein. La scurt timp dupa ce mecanica cuantica a capatat o formulare generala, Paul Adrien Maurice Dirac isi da seama ca teoria poate fi aplicata direct campurilor cum e cel electromagnetic, si poate fi pusa in acord cu relativitatea restransa. Dirac ajunge astfel la o noua si profunda simplificare a descrierii naturii: convergenta dintre notiunea de particula folosita de Newton si cea a campului introdusa de Faraday. Norul de probabilitate care insoteste electronii intre o interactiune si alta seamana cu un camp.
    DIRAC, HEISENBERG, PAULI, FERMI si alti fizicieni au dezvoltat o teorie matematica, compatibila cu relativitatea restransa, cunoscuta sub numele de TEORIA CUANTICA A CAMPULUI, conform careia un camp este alcatuit din particule infnitezimale numite cuante ale campului si toate particulele pot fi considerate ca mici aglomerari de energie si impuls. Particulele sunt cuante ale campului. Pentru campul electromagnetic cuantele sunt fotonii.
    Intr-o teorie cuantica relativista, fortele dintre particule pot lua nastere doar prin schimbul altor particule. Mai mult, toate aceste particule sunt pachete de energie, sau cuante, ale diferitelor tipuri de campuri. Un camp, cum este cel electric sau magnetic, e un fel de tensiune in spatiu, asemanatoare diferitelor tensiuni ce pot aparea intr-un corp solid, dar campul este o tensiune in spatiul insusi. Exista un anumit tip de camp pentru fiecare specie de particula elementara. La inceput, campurile erau socotite un ingredient aditional in reteta lumii fizice, niste particule suplimentare. Dealungul secolului XX, campurile au preluat controlul. Intelegem acum particulele ca pe manifestari ale unei realitati mai profunde. Particulele sunt avataruri ale campurilor.
    Cu campurile si particulele sale, mecanica cuantica ofera azi o surprinzator de buna decriere a naturii. Lumea nu e alcatuita din campuri si particule, ci dintr-un singur tip de entitate, campul cuantic. Nu mai e vorba de particule care se misca in spatiu in cursul timpului, ci de campuri cuantice ale caror evenimente elementare au loc in spatiul-timp. Lumea e stranie dar simpla.
    Campurile cuantice sunt componentele fundamentale din care este alcatuita lumea. Materia e compusa din atomi. Atomii sunt compusi din nuclee si atomi. Nucleele sunt compuse din protoni si neutroni. Protonii si neutronii sunt compusi din cuarci. Cuarcii si electronii sunt alcatuiti din campuri. Iar, din cate stim, campurile cuantice sunt treapta cea mai de jos pe scara naturii.

10.

Fenomenul cuantic cel mai straniu, cel care ne indeparteaza cel mai mult de vechea noastra lume descrisa de fizica clasica este numit “CORELATIA CUANTICA” (in engleza: quantum entanglement).
E un fenomen subtil care ne farmeca si care, asa cum a subliniat Schrodinger, reprezinta adevarata trasatura caracteristica a mecanicii cuantice. Aici apar aspectele cele mai ametitoare ale realitatii dezvaluite de teoria cuantelor.
In fizica cuantelor, se numeste corelatie cuantica fenomenul prin care doua obiecte aflate la mare distanta unul de altul, de exemplu doua particule care s-au intalnit in trecut, pastreaza un fel de legatura ciudata. La nivel fundamental, particulele corelate cuantic conserva o anumita propietate comuna (de exemplu spin, polarizare), astfel incat modificarea starii uneia dintre particule determina colapsarea instantanee a celeilante intr-o stare compatibila, independent de distanta. Astfel corelatia cuantica permite ca, masurand propietatea conservata a uneia dintre particule sa se cunoasca rezultatul masuratorii asupra celeilalte particule, fara a fi in vecinatatea ei si a efectua efectiv masuratoarea. Fenomenul a fost confirmat fara gres in laborator
Cum se poate ca doua particule corelate cuantic sa ia aceiasi hotarare, fara a se fi pus in acord dinainte si fara sa-si trimita mesaje la distanta?
Corelatia cuantica ne arata ca realitatea e altfel decat ne-o imaginam
Albert Einstein, Boris Podolsky si Nathan Rosen au exprimat scepticismul lor fa?? de aceste idei în celebrul articol EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) din 1935, sugerand c? mecanica cuantica ar putea fi incompleta si ca exista „variabile ascunse” care, daca ar fi cunoscute, ar oferi o descriere determinista si completa a realita?ii. Potrivit teoriei variabilelor ascunse, comportamentul aparent aleatoriu al particulelor cuantice este de fapt determinat de factori pe care înca nu îi cunoastem. Doua particule au impreuna mai multe caracteristici decat cele doua particule luate separate. Mai precis, sunt situatii in care, chiar daca cunosc tot ce se poate prevedea in acea situatie despre fiecare din cele doua particule, exista totusi ceva (caracteristici ascunse, variabile fantoma) ce nu pot sa prevad despre cele doua particule luate impreuna. Nimic din toate acestea nu e adevarat in lumea clasica.
Multa vreme s-a pus întrebarea daca aceasta corela?ie se datoreaza faptului ca particulele dintr-o pereche interconectata con?in variabile ascunse, adica instruc?iuni care le spun ce rezultat ar trebui sa dea în cadrul unui experiment.
John Bell, un fizician irlandez, a publicat în 1964 o lucrare care a schimbat radical discu?ia despre natura mecanicii cuantice si a variabilelor ascunse. Bell a aratat ca daca variabilele ascunse locale ar exista, ele ar trebui sa satisfaca anumite inegalita?i matematice.
John Bell a formulat ceea ce astazi numim „inegalita?ile lui Bell”, care sunt criterii matematice ce permit testarea teoriei variabilelor ascunse locale împotriva predictiilor mecanicii cuantice. Daca aceste inegalitati sunt violate, atunci variabilele ascunse locale nu pot explica complet comportamentul particulelor cuantice.
Au fost efectuate numeroase experimente pentru a testa inegalitatile lui Bell. JOHN CLAUSTER a dezvoltat ideile lui John Bell, ceea ce a condus la un experiment practic. Cand a efectuat masuratorile, acestea au sustinut mecanica cuantica prin încalcarea clara a unei inegalitati Bell.
Unul dintre cele mai cunoscute este si experimentul Aspect, realizat de ALAIN ASPECT si colegii sai la începutul anilor 1980. În aceste experimente, s-au masurat corelatiile dintre particulele corelate cuantic pentru a verifica daca respecta sau violeaza inegalitatile lui Bell. Masuratorile au aratat în mod repetat ca inegalitatile lui Bell sunt violate.
Aceste rezultate au confirmat predictiile mecanicii cuantice si au infirmat teoria variabilelor ascunse locale. Experimentele au aratat ca pentru a explica corelatiile cuantice, ar trebui sa acceptam non-localitatea, adica faptul ca particulele corelate cuantic pot influenta instantaneu starile uneia alteia, indiferent de distanta. Acest lucru este profund contraintuitiv, dar este confirmat de mecanica cuantica. Prin inegalitatea lui Bell si prin rezultatele experimentelor, s-au obtinut dovezi convingatoare ca mecanica cuantica descrie corect realitatea la nivel microscopic. Acest lucru nu înseamna ca întelegem complet toate implicatiile sale, dar confirma ca predictiile sale sunt corecte.

Rezultatele acestor teste au aratat fara echivoc ca mecanica cuantica, desi stranie, este corecta, si ca universul nostru este interconectat într-un mod profund si fascinant. Aceste rezultate deschid calea catre tehnologii noi, cum ar fi calculul cuantic si criptografia cuantica, care se bazeaza pe principiile corelarii cuantice si non-localitatii.
ANTON ZELINGER, profesor la Universitatea din Viena, a reusit teleportarea unor fotoni corelati pe o distanta de aproape 150 de km, între insulele La Palma si Tenerife din arhipelagul Canare.
Folosind instrumente rafinate si serii lungi de experimente, Anton Anton Zeilinger a demonstrat principii fundamentale ale mecanicii cuantice si a validat fenomenul de corelare cuantica. Aceste experimente nu numai ca au confirmat previziunile teoretice ale mecanicii cuantice, dar au deschis cai noi catre aplicatii practice în stiinta informatiei cuantice. Munca sa a deschis calea pentru progrese în calculatoarele cuantice, comunicarea cuantica sigura si dezvoltarea retelelor cuantice.
O realizare notabila a echipei Zeilinger a fost demonstrarea teleportarii cuantice, unde o stare cuantica este transferata de la o particula la alta aflata o distanta mare. Aceasta teleportare a fost realizata prin utilizarea perechilor de fotoni corelati, permitand transferul precis si sigur al informatiilor cuantice. Aceasta tehnica are implicatii pentru viitorul comunicatiilor sigure la mare distanta. Cercetatorii au utilizat un laser care a transmis din La Palma un fascicol de perechi de fotoni corelati, care au fost receptati de un telescop aflat în Tenerife. Echipa de specialisti condusa de Zeilinger a demonstrat ca, indiferent cum ar fi polarizati fotonii, ei poarta o informatie care nu poate fi interceptata fara a fi distorsionata. În domeniul transmisiilor de date, acest procedeu de criptare cuantica este infailibil. Daca nu detii cheia cuantica de decriptare, orice interceptare a informatiei conduce la distorsionarea mesajului.

Cercetarile lui ANTON ZELINGER, împreuna cu realizarile lui JOHN CLAUSTER si a lui ALAIN ASPECT, cu care au împartit Premiul Nobel 2022, au pus bazele a ceea ce acum se numeste „ERA INFORMATIEI CUANTICE”.


  1. Intorcandu-ne la originea notiunii de camp, putem recunoaste in incercarile lui Faraday de a descrie influentele electrice si magnetice in spatiu un alt mod prin care campurile cuantice unifica perspectiva noastra asupra lumii. Acelesi campuri cuantice electric si magnetic care produc fotoni, produc, conform ideilor lui Faraday, si ecuatiilor lui Maxwell, fortele electrica si magnetica. Ajungem astfel sa intelegem ca subsanta si forta sunt doua aspecte ale unei realitati fundamentale comune, adica campul.
    Fizicienii si-au concentrat mai intai eforturile inovatoare spre impletirea relativitatii speciale cu conceptele cuantice in descriere a fortei elecromagnetice si a interactiei ei cu materia. Printr-o serie de descoperiri inspirate ei au creat ELECTRODINAMICA CUANTICA.
    Electrodinamica cuantica este probabil cea mai precisa teorie a naturii, creata pana acum de civilizatia planetei Terra. Din calcule efectuate cu ajutorul electrodinamicii cuantice rezulta predictii cu privire la propietatile electronilor, pozitronilor si fotonilor care au fost verificate experimental si intelese cu o PRECIZIE ULUITOARE. Nu exista niciun rezultat obtinut in urma experimentelor care sa-i contrazica previziunile.
    Ecuatiile unei teorii a campului, cum este modelul standard, nu opereaza cu particule, ci cu campuri; particulele apar ca manifestari ale acestor campuri. Teoria acestei lumi simplificate formata din electroni, fotoni si nuclee este electrodinamica cuantica, iar versiunea sa data de Feynman a avut un suces incredibil. Electrodinamica cuantica este probabil cea mai precisa teorie a naturii creata pana acum. Din calcule efectuate cu ajutorul electrodinamicii cuantice rezulta predictii cu privire la propietatile electronilor, pozitronilor si fotonilor care au fost verificate experimental si intelese cu o precizie uluitoare. Nu exista niciun rezultat obtinut in urma experimentelor care sa-i contrazica previziunile.
    Nimic interesant nu s-ar intampla vreodata daca am avea de-a face doar cu miscarea libera a electronilor si fotonilor. Dar aceste miscari au loc ambele intr-o actiune coordonata care e raspunzatoare pentru tot ce e interesant in natura. Sa ne gandim numai la ce se intampla cand electronii trec dintr-un nor in altul in timpul unui fulger luminos. Noaptea se transforma brusc in zi. Bubuitul tunetului se datoreaza undei de soc produse de ciocnirea electronilor rapid accelerati cu moleculele de aer care le stau in cale. De unde provine lumina care inunda spectaculos cerul pret de o secunda? Raspunsul ne duce iar la electronii individuali. Cand miscarea unui electron este brusc perturbata, el poate raspunde producand un foton. Acest proces, numit emisie fotonica, este evenimentul fundamental in electrodinamica cuantica. La fel cum toata materia e alcatuita din particule, toate procesele fizice constau din evenimentele elementare de emisie si absortie. Astfel electronul, in timp ce se misca prin spatiul-timp poate sa arunce brusc in afara o singura cuanta(sau foton) de lumina. In coditiile obisnuite, lumina vizibila este absorbita sau emisa atunci cand electronii dintr-un atom sunt excitati pe orbite de energie mai inalta sau, respective, revin pe orbite de energie mai joasa. Toata lumina pe care o vedem, la fel ca undele radio, radiatia infrarosie, razele X, e compusa din fotoni care au fost emisi de electronii din Soare sau din filamentul unui bec luminous, dintr-o antenna radio sau dintr-o sursa de raze X.
    Electrodinamica cuantica este mai mult decat teoria electronilor si fotonilor: este fundamentul pentru teoria intregii materii. Se stie ca electronii din atom determina propietatile chimice ale tuturor elementelor din tabelul periodic. Daca electronul este eroul electrodinamicii cuantice, fotonul este camaradul care face cu putinta ispravile electronului. Lumina emisa de un bec aprins se reduce la evenimente microscopice in care electroni individuali emit fotoni atunci cand sunt acelerati. Toata teoria electrodinamicii cuantice se invarte in jurul unui proces fundamental: emisia unui singur foton de catre un singur electron.
    Fotonii joaca si ei un rol indispensbil in atom. Intr-un anume sens fotonii sunt funiile care leaga electronii de nucleu. Daca fotonii ar fi eliminati brusc de pe lista particulelor elementare, orice atom s-ar dezintegra instantaneu.
    Referitor la electrodinamica cuantica trebuie totusi sa recunoastem ca nu o itelegem pe deplin. Cunoastem principiile fundamentale ale teoriei si putem deduce din ele ecuatiile de baza care definesc teoria. Totusi, nu putem de fapt sa rezolvam aceste ecuatii, sau macar sa dovedim ca ele sunt consistente din punct de vedere matematic. Ca totul sa aiba sens recurgem la un subterfugiu. Facem cateva presupuneri privind natura solutiilor-care dupa mai mult de saptezeci de ani sunt inca nedemonstrate-iar aceasta ne conduce la un procedeu de calcul aproximativ a ceea ce se intampla la interactiunea fotonilor cu electronii. Procedeul se numeste teoria perturbatiilor. Este foarte util pentru ca ne conduce la raspunsuri care sunt in foarte bun acord cu experienta. Totusi, inca nu stim de fapt daca procedeul este consistent sau nu, ori cat de precis reflecta ce ar prezice o solutie exacta a teoriei. Teoria perturbatiilor este destul de usor de descries cu ajutorul diagramelor Feynman.
    Asadar, Electrodinamica cuantica este mai mult decat teoria electronilor si fotonilor: este fundamentul pentru teoria intregii materii !!
    In 1965, RICHARD FEYNMAN, JULIAN SCHWINGER si fizicianul japonez SIN-ITIRO TOMONAGA au primit Premiul Nobel in Fizica pentru lucrarile lor asupra electrodinamicii cuantice (“for their fundamental work in quantum electrodynamics”)

  2. Sucesul electrodinamicii cuantice a indemnat alti fizicieni, in anii 1960 si 1970, sa aplice aceileasi metode pentru a descrie forta slaba si forta tare. Prin analogie cu electrodinamica cuantica fizicienii au construit o teorie cuantica de camp pentru fortele tari numita CROMODINAMICA CUANTICA si una pentru fortele slabe numita TEORIA CUANTICA ELECTROSLABA. Cromodinamica cuantica este versiunea moderna a fizicii nucleare. Fizica nucleara conventionala a inceput cu protonii si neutronii(nucleonii), dar cromodinamica cuantica merge mai in profunzime. Acum se stie ca nucleonii nu sunt particule elementare. Atat protonul cat si neutronul sunt fiecare format din trei cuarci legati intre ei printr-o inlantuire de particule numite gluoni. Teoria cuarcilor si a glonilor-cromodinamica cuantica- este mai complicata decat electrodinamica cuantica si imposibil de explicat in cateva propozitii.
    Una din cele mai surprinzatoare aplicatii ale cromodinamicii cuantice este ca poate explica originea aproape a intregii mase.
    Celebra formula a lui Einstein: E=mc2, exprima energia latenta dintr-un obiect in repaus, datorita masei sale, energia se conserva. Putem folosi aceasta formula pentru a calcula cata energie e eliberata cand o particula se sparge sau se dezintegreaza in particule cu masa mai mica. Formula e folosita in acest sens cand determinam felul in care energia rezultata din radioactivitatea Pamantului deplaseaza, de pilda, continentele (tectonica placilor) sau felul in care reactiile nucleare alimenteaza stelele cu energie.
    Frumos este ca logica formulei poate fi citita si in sens invers, pentru a produce masa din energie pura: m=E/c2. De fap de aici rezulta cea mai mare parte a masei protonilor si neutronilor si astfel, a masei corpurilor umane si a obiectelor din viata de zi cu zi.
    In interiorul protonilor avem cuarci si gluoni. Cuarcii au mase foarte mici, iar gluonii au mase zero. Dar ei se misca foarte repede in interiorul protonilor, astfel incat au energie.Toata aceasta energie se insumeaza. Cand energia acumulata e incapsulata intr-un obiect aflat in repaus, cum este protonul in ansamblul lui, atunci obiectul are masa m=E/c2. Asta explica aproape intreaga masa a protonilor si neutronilor, ca produs ale energiei pure. La randul ei, aproape toata masa oamenilor e data de insumarea maselor protonilor si neutronilor pe care ii contine, deci produsul energiei pure.
    STEVEN WINBERG, SHELDON LEE GLASHOW si ABDUS SALAM au primit in1979 Premiul Nobel in Fizica pentru elaborarea teoriei cuantice electroslabe si contributia lor la unificarea a doua dintre cele patru forte fundamentale ale naturii: forta electromagnetica si forta slaba.