Kvantová fyzika Tomáš Hudák

Obsah Základné pojmy alebo O čo tu vlastne ide Nedeliteľný atóm...? Časticovo-vlnový dualizmus Dvojštrbinový experiment Svet v nás – elementárne častice? Princíp neurčitosti Princíp superpozície Schrödingerova mačka Záver

Základné pojmy alebo O čo tu vlastne ide Termín quantum (latin.”ako veľmi“) odkazuje na jednotlivé ďalej nedeliteľné jednotky, ktoré teória zadá istým fyzickým kvantitám, takým ako atómová energia v pokoji. Objav, ktorý máva mohol byť zmeraný z časti ako malé balíčky energie nazývané quantá, ktoré viedli k odvetviu fyziky, ktorá sa zaoberá atómovými a podatómovými systémami. Za založením kvantovej mechaniky stoja osobnosti ako Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumanna, Paul Dirac, Wolfgang Pauli a iní. Myšlienka, že "ak sa niečo môže stať, tak sa to stane", je základnou pre kvantovú mechaniku, odvetvie fyziky, ktoré vysvetľuje správanie sa častíc v pojmoch pravdepodobnosti. Pre niekoľko atómov existuje istá pravdepodobnosť, že prejdú rádioaktívnym rozpadom vďaka možnosti - na kratučký okamih - , že jadro môže existovať v stave, ktorý mu dovolí rozpad.

Nedeliteľný atóm...?

Časticovo-vlnový dualizmus Myšlienku duality častíc a vĺn zaviedol v roku 1905 Albert Einstein pre objasnenie fotoelektrického javu. Fyzikálny pojem časticovo-vlnový dualizmus sa vzťahuje na skutočnosť, že hmotu možno popísať buď ako vlnu alebo ako časticu, v závislosti od usporiadania experimentu a spôsobu pozorovania. Hoci sa tento dualizmus vo všeobecnosti týka všetkej hmoty, najčastejšie sa s ňou stretávame v prípade objektov s veľmi malou hmotnosťou, osobitne elementárnych častíc.

Dvojštrbinový experiment

Svet v nás – elementárne častice?

Leptóny Existuje 6 leptónov, z ktorých 3 majú elektrický náboj a 3 nemajú. Najznámejším nabitým leptónom je elektrón (e-). Ďalšie dva nabité leptóny sú mión (μ) a tauón (τ), ktoré sa podobajú elektrónu s väčšou hmotnosťou. Všetky elektricky nabité leptóny majú záporný náboj.    Ostatné 3 leptóny sú neutrína (ν), ktoré ľahko prenikajú hmotou. Nemajú elektrický náboj a majú malú, ak vôbec nejakú, hmotnosť. Ku každému nabitému leptónu existuje jedno neutríno. Pre každý zo 6 leptónov existuje antileptón, ktorý má rovnakú hmotnosť, ale opačný náboj.   Osamelé leptóny - leptóny môžu existovať bez prítomnosti iných častíc. Naopak, kvarky sa vyskytujú len v skupinách.    V súčasnosti neexistuje žiaden náznak, že by leptóny mali nejakú vnútornú štruktúru.  

Kvarky Existuje 6 kvarkov, ale fyzici obyčajne hovoria o troch pároch : horný(Up)/dolný(Down), pôvabný(Charm)/podivný(Strange) a vrchný(Top)/spodný(Bottom). Pre každý z týchto kvarkov existuje odpovedajúca antičastica-antikvark. Kvarky majú tú zvláštnu vlastnosť, že ich náboj nie je celočíselným násobkom elektrického náboja elektrónu. Ich náboj je 2/3 alebo -1/3 veľkosti náboja elektrónu. Kvarky majú aj iný druh náboja, tzv. farebný náboj. 

Hadróny Atómové jadro sústreďuje skoro celú hmotnosť atómu, preto je tvorené ťažkými časticami - hadrónmi. Presnejšie povedané hadróny sú častice, ktoré interagujú prostredníctvom silnej jadrovej interakcie a v prípade, že sú aj elektricky nabité, tak aj prostredníctvom elektromagnetickej interakcie. Hadróny nie sú elementárne častice, majú vlastnú štruktúru. Možno ich rozdeliť do 2 skupín: baryóny  a mezóny vrátane rezonancií. Medzi baryóny patria všetky hadróny tvorené tromi kvarkami (qqq). Napríklad protón tvoria 2 up a 1 down kvark (uud), neutrón je zložený z 1 up a 2 down kvarkov (udd). Mezóny sa skladajú z jedného kvarku (q) a jedného antikvarku (q).

Princíp neurčitosti Podstatou princípu neurčitosti je tvrdenie, že kvantová mechanika umožňuje určovať súčasne len také pozorovateľné veličiny, ktoré vzájomne komutujú. Presnosť súčasného prevedeného merania dvoch nekomutujících veličín (napr. hybnosť a poloha, čas a energia) je obmedzená, pričom toto obmedzenie sa vyjadruje pomocou relácie neurčitosti.  Najznámejšími reláciami neurčitosti sú Heisenbergove relácie neurčitosti (taktiež Heisenbergov princíp neurčitosti), ktoré určujú obmedzenia na súčasné meranie polohy a hybnosti elementárnej častice.

Princíp superpozície Princíp superpozície hovorí, že ak Ψ1 a Ψ2 sú prípustné kvantové stavy systému, potom aj stav daný superpozíciou týchto dvoch stavov, čiže stav Ψ=Ψ1+Ψ2, je prijateľným stavom, v ktorom sa môže tento fyzikálny systém nachádzať. Zovšeobecnením tohto faktu prichádzame k záveru, že aj stav daný superpozíciou ľubovoľného množstva základných stavov, je prijateľný stav, v ktorom sa daný fyzikálny systém môže nachádzať.  V podstate teda konštatujeme, že každá častica, či ľubovoľný fyzikálny systém, sa môže súčasne nachádzať v rôznych stavoch. Teda elementárna častica môže byť napríklad na dvoch priestorovo vzdialených miestach zároveň, alebo môže súčasne nadobúdať rozdielne energie či hybnosti.

Schrödingerova mačka

Kvantová mechanika tvrdí, že keďže sa izotop rozpadá nejaký čas, je v dvoch stavoch, môžeme s istotou povedať, že je rozpadnutý a zároveň aj nerozpadnutý. Toto sa nazýva superpozícia. Schrödinger k tomuto princípu pridal skrátka obyčajnú mačku. Ak je nuklid nerozpadnutý - mačka žije. Ak je nuklid rozpadnutý - mačka je mŕtva. Ale my na ten nuklid nevidíme, krabica je nepriehľadná, nuklid je teda rozpadnutý alebo nie. Od toho závisí aj stav mačky. No ak by sme krabicu otvorili, mačka nemôže byť živá aj mŕtva zároveň a to je pointou problému. Pozorovateľ krabice zistí, či je mačka živá, až keď sa na ňu pozrie. A podľa Erwina Schrödingera je to práve naša zvedavosť, ktorá tú mačku môže zabiť. Pozretím dovnútra krabice sme donútili vesmír rozhodnúť sa - vybrať si prvú alebo druhú možnosť. Častou vedeckou odpoveďou je, že sa udejú obe možnosti, akurát v paralelných multivesmíroch. Problém známy tiež ako "výber jednej reality" je dodnes popredným nevyriešeným problémom kvantovej fyziky.

Záver Ďakujem za pozornosť.