Некада збуњујућа теорија, квантна механика је еволуирала у покретачку силу иза савремене технологије и истраживања на граници науке.
Пре једног века, квантна механика је била смела и збуњујућа идеја која је доводила у питање чак и водеће научнике. Данас, она представља основу многих свакодневних технологија, укључујући ласере, микрочипове, квантне рачунаре и системе за безбедну комуникацију.
У новом осврту објављеном у часопису Science, др Марлан Скали, универзитетски истакнути професор на Тексашком А&М универзитету, разматра како је квантна механика напредовала од необичне теорије до алата за решавање неких од најтежих проблема у науци.
„Квантна механика је почела као начин да се објасни понашање ситних честица“, рекао је Скали, који је такође повезан са Принстон универзитетом. „Сада покреће иновације које су биле незамисливе пре само једне генерације.“
Скали је одиграо значајну улогу у унапређењу ове области. Он је коаутор утицајног уџбеника „Quantum Optics“, који се широко користи међу физичарима. Његова истраживања у области кохерентне ласерске спектроскопије на наноразмери омогућила су научницима да проучавају молекуле са прецизношћу на нивоу атома. Такође је развио нове концепте у квантним топлотним машинама који доводе у питање традиционалне термодинамичке границе и указују на могуће будуће енергетске технологије.
Од мисаоног експеримента до стварног утицаја
Године 1935, Ервин Шредингер је увео свој познати парадокс са мачком, предлажући да мачка може постојати истовремено и као жива и као мртва све док се не изврши посматрање. Идеја је била замишљена да истакне необичну природу квантне теорије. „Та ‘квантна чудноватост’ више није само филозофска загонетка“, рекао је Скали. „Она је темељ квантног рачунарства, квантне криптографије, па чак и детекције гравитационих таласа.“
Рани пионири као што су Шредингер и Вернер Хајзенберг развили су таласну механику и матричну механику, два супротстављена приступа описивању квантних система. Ови оквири су касније уједињени у квантну теорију поља, која објашњава како честице међусобно делују кроз електромагнетне и нуклеарне силе.
Њихов рад се надовезао на рани атомски модел Нилса Бора, који је приказивао електроне како круже око језгра попут планета око Сунца, постављајући темеље савременој квантној теорији.
Моћ кохеренције-једна од најзначајнијих идеја у квантној физици
Једна од најзначајнијих идеја у квантној физици је квантна кохеренција, која описује како честице као што су атоми и фотони могу остати повезани и понашати се координисано, чак и на великим удаљеностима.
Овај концепт је довео до развоја ласера, који су некада сматрани непрактичним. Данас се ласери широко користе у читачима бар-кодова, медицинским процедурама и напредним научним истраживањима.
Квантна кохеренција такође омогућава квантну спрегу (ентанглмент), коју је Алберт Ајнштајн чувено описао као „сабласно деловање на даљину“. Путем спрегнутости, честице могу делити информације на начине који подржавају квантну енкрипцију и побољшавају осетљивост инструмената као што је LIGO, који детектује таласе у простор-времену.
Квантна топлотна машина
Можда најневероватнија примена је квантна топлотна машина. Традиционалне машине су ограничене Карнотовом границом, максималном ефикасношћу коју дозвољава термодинамика. Користећи квантну кохеренцију, истраживачи могу пројектовати машине које превазилазе ову класичну границу.
„То је упечатљив пример како квантни принципи могу да препишу правила класичне физике“, рекао је Скали.
Биологија и црне рупе
Квантна механика све више утиче на друге области науке. У биологији, методе као што је кохерентна Рамановa спектроскопија омогућавају истраживачима да проучавају вирусе на наноразмери.
Она такође обликује наше разумевање универзума. Теорије као што су теорија струна и квантна гравитација покушавају да повежу квантну механику са Ајнштајновом теоријом релативности, што је дуготрајан изазов у физици.
Још један дугогодишњи проблем је турбуленција, сложено кретање флуида као што су ваздух и вода које утиче на авијацију, време и климу. Проучавајући суперфлуидни хелијум, који показује необично квантно понашање, научници идентификују обрасце који би могли побољшати прогнозу времена, климатске моделе и безбедност летења.
Постављају се бројна питања
Упркос својим успесима, квантна механика и даље поставља велика питања. Да ли се гравитација може описати у оквиру квантног модела? Како би квантни рачунари могли трансформисати медицину и науку о материјалима? Какви нови увиди у универзум могу произаћи из квантних технологија?
Скали верује да ће даља истраживања бити кључна. „На почетку 20. века, многи су мислили да је физика завршена“, рекао је. „Сада, у 21. веку, знамо да је авантура тек почела.“
