23/12/2023
Jakich jest 5 najważniejszych odkryć fizyki kwantowej? Jak opisałbyś ich znaczenie dla laików? (Żródło: Quora)
Proszę zwrócić uwagę, że istnieją inne odkrycia, których tutaj nie wymieniłem, a które mogą mieć istotne znaczenie dla mechaniki kwantowej. Ta lista jest całkowicie subiektywna. Przed sporządzeniem tej listy wziąłem pod uwagę wiele czynników, takich jak znaczenie teoretyczne i popularność odkryć.
Eksperyment z podwójną szczeliną elektronową — eksperyment, który „przełamał rzeczywistość”. To wtedy fizycy cząstek odkryli niezwykłą naturę elektronu cząsteczkowego. Aby wyjaśnić falowy wzór interferencji, który zaobserwowali na ekranie po przejściu wiązki elektronów przez szczeliny, fizycy zaproponowali, że takie zjawisko może wystąpić tylko przy założeniu, że elektron nie jest punktowy (tj. obszarze przestrzeni), ale „rozprzestrzenione” w obszarze przestrzeni Hilberta. W ten sposób zdefiniowali, że można mówić jedynie o prawdopodobieństwie znalezienia elektronu w różnych częściach tego obszaru przestrzeni — prawdopodobieństwie określonym przez obiekt matematyczny zwany funkcją falową (dokładniej funkcją falową położenia w przestrzeni). Doszło do wniosku, że funkcja falowa ulega interferencji dyfrakcyjnej, co wyjaśnia następnie wzór interferencji.
Eksperyment ze złotą folią Rutherforda — że dodatni ładunek atomu koncentruje się w określonym obszarze w środku, a nie wszędzie w nim. Rutherford, a dokładniej jego uczniowie Geiger i Mardsen wystrzelił cząstki alfa (będące jądrami atomów helu) w złotą folię. Zaobserwowali różne rzeczy — niektóre cząstki przeszły przez nie z niewielkim lub żadnym odchyleniem, inne zostały odbite w zauważalnym stopniu, a jeszcze inne do takiego stopnia, że wydawało się, że odbijają się od czegoś w folii i wrócił w tym samym kierunku. Były to wówczas niezwykłe odkrycia, ponieważ model atomu, który wówczas uważano za prawdziwy, to model budyniu śliwkowego zaproponowany przez JJ Thompsona, mentora Rutherforda. Model stwierdził, że atom jest podobny do ciasta śliwkowego, przy czym ciasto ma ładunek dodatni i zajmuje większość przestrzeni w jądrze, a ujemnie naładowane elektrony są osadzone niczym rodzynki w cieście. Okazało się, że ten model budyniu śliwkowego jest niedokładny, ponieważ wyników nie da się wyjaśnić, jeśli zgodnie z modelem dodatni ładunek atomu jest w nim rozproszony. Gdyby model puddingu śliwkowego był prawdziwy, żadna cząsteczka w ogóle nie przeszłaby przez folię i wszystkie powinny zostać odbite, co nie miało miejsca. Eksperyment zaowocował propozycją nowego modelu atomu – przypominającego kształtem Układ Słoneczny, w którym Słońce jest dodatnio naładowanym jądrem, a planety – elektronami. Dziś wiemy, że nawet ten model jest w pewnym stopniu niedokładny, ale przesunięcie, jakie społeczność naukowa dokonała pomiędzy obydwoma modelami, było punktem zwrotnym i właściwym krokiem naprzód w dziedzinie fizyki kwantowej.
Efekt fotoelektryczny — światło, a dokładniej pole elektromagnetyczne, ulega kwantyzacji. Był to jeden z najcenniejszych wkładów Einsteina w świat fizyki jako całości, poza jego teoriami względności. Według klasycznej teorii elektromagnetycznej uważano, że światło przekazuje energię elektronom podczas ich interakcji. A kiedy elektronom na orbitali atomowych nadano wystarczającą energię, uciekły one, ponieważ energia światła przekroczyła potencjał jonizacji (najmniejsza energia potrzebna do usunięcia elektronów) na ich poziomie energetycznym. W takim przypadku intuicyjne zrozumienie byłoby takie, że zmiana natężenia światła zmieni energię kinetyczną emitowanych elektronów. Co więcej, jeśli oświetla się atomy światłem o niskiej energii (o dużej długości fali), powinno nastąpić opóźnienie pomiędzy wyrzuceniem elektronów z atomu a świeceniem światła, ponieważ elektrony stopniowo są zasilane przez falową wiązkę światła. Jednak wyniki eksperymentów nie zgadzały się z przewidywaniami klasycznej teorii elektromagnetycznej. Zaobserwowano, że istnieje pewien „próg” energii, jaką musi przenosić światło, aby spowodować wyrzucenie elektronów. Zwiększanie intensywności światła nie miało wpływu na energię kinetyczną elektronów – zamiast tego wpłynęło na liczbę emitowanych elektronów. Zaobserwowano również, że ten próg wymaganej energii był stosunkowo niski. Co więcej, nie miało znaczenia, jak długo świeciło się światło o energii mniejszej niż próg, w ogóle nie byłyby emitowane żadne elektrony. Obserwacje można wyjaśnić jedynie przy założeniu, że fotony, czyli światło, nie są falą ciągłą, lecz rozchodzą się w pakietach falowych – pakietach energii odpowiadających określonej długości fali. Było to rzeczywiście przełomowe odkrycie, które zapoczątkowało rozwój wczesnej ery mechaniki kwantowej. Einstein otrzymał za to nagrodę Nobla w 1921 roku.
Eksperyment Johna Clausera z 1972 r. sprawdzający przewidywania twierdzenia CHSH-Bella — ten eksperyment po raz pierwszy pokazał światu istnienie splątania kwantowego w rzeczywistości. Clauser użył polaryzatorów i światła, aby pokazać, że splątanie kwantowe — dziwaczne zjawisko, w którym cząstki rozdzielone w czasie i przestrzeni mają połączone ze sobą stany, a zmiana stanu jednej z cząstek powoduje niemal natychmiastowe, w rzeczywistości szybsze niż prędkość światła, zmiana stanu innej cząstki. Sam eksperyment przeprowadzony przez Clausera jest dość skomplikowany do zrozumienia dla ogółu społeczeństwa. QE zostało opisane przez Waltera Lewina jako „najdziwniejsza, najgłupsza i najbardziej kontrowersyjna prognoza, jaką może stworzyć fizyka kwantowa”.
Odkrycie bozonu Higgsa — Tak, wiem, że pominąłem wiele wspaniałych odkryć pomiędzy, takich jak „Stworzenie pierwszego kondensatu Bosego-Einsteina (1995)” i „Eksperymentalny dowód na to, że neutrina mają masę (1998)”, ale czułem, że nie były one tak ważne jak to (jestem pewien, że za wypowiedzenie tego stwierdzenia moja głowa będzie na szpicy). Przewidywania dokonane w latach sześćdziesiątych XX wieku i potwierdzone ponad pięćdziesiąt lat później, odkrycie bozonu Higgsa – skalarnej cząstki wymiany (bozon), która odpowiada za całą masę we wszechświecie, było ważnym odkryciem nie tylko w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych , ale do wszystkich innych dziedzin fizyki jako całości. Odkryto przyczynę istnienia masy, podstawowej wielkości występującej dosłownie w każdym równaniu, jakie kiedykolwiek wyprowadzono w fizyce. Mechanika Higgsa działa poprzez wypełnienie wszechświata polem, a cząstki uzyskują masę w wyniku interakcji z tym polem Higgsa. Oddziaływania zachodzą poprzez wymianę cząstek Higgsa, które są wzbudzeniami w polu Higgsa. Mogę dokonać analogii z fotonami, naładowanymi cząstkami i polem elektromagnetycznym. Podobnie jak naładowane cząstki, takie jak elektrony, są sprzężone z polem elektromagnetycznym i mogą oddziaływać ze wzbudzeniami tego pola – którymi są fotony – wszystkie cząstki masowe są sprzężone z polem Higgsa i mogą oddziaływać ze wzbudzeniem pola Higgsa – bozon Higgsa. Udało nam się dokonać tego odkrycia dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów, który jest niezwykle długim aparatem, który rozbija cząsteczki materii i obserwuje powstający opad. Tylko LHC jest w stanie wytworzyć warunki energetyczne wymagane do obserwacji bozonu Higgsa w ten sposób, a całkowity koszt znalezienia bozonu Higgsa, według magazynu Forbes, wyniósł około 13,25 miliarda dolarów amerykańskich, co świadczy o znaczeniu społeczności naukowej, i świat w ogóle, poświęca się dziedzinie fizyki kwantowej.
