Fizyka kwantowa jest tak zawiła i pokręcona, że w jej realiach nie obowiązują standardowe prawa fizyki. Okazuje się jednak, że z dobrodziejstw świata kwantów korzystamy wszyscy każdego dnia. Oto kilka wynalazków, które mamy dzięki fizyce kwantowej.
Mechanika kwantowa to zestaw praw ruchu obiektów, które poszerzają zakres mechaniki klasycznej o sytuacje nietypowe. Zadaniem mechaniki kwantowej (potocznie nazywanej fizyką kwantową) jest opisywanie świata mikroskopowego – obiektów o niewielkich masach i rozmiarów, nawet mniejszych od atomów. W takich warunkach klasyczne prawa fizyki nie obowiązują, więc bez mechaniki kwantowej nie mielibyśmy pojęcia, co się tam dzieje.
Nie zdajemy sobie z tego sprawy, ale fizyka kwantowa wpływa na życie nas wszystkich. Nie chodzi bynajmniej o zawiłe zależności między cząstkami elementarnymi czy badania początków Wszechświata. Świat fizyki kwantowej jest obok nas – wystarczy się dobrze rozejrzeć. Oto kilka przykładów kwantowych wynalazków.
Lasery
Pierwszym co przychodzi na myśl, gdy mówimy o fizyce kwantowej, są lasery. Ich zasadę działania znajdziemy w pracy z 1917 r., którą Einstein napisał na temat statystyki fotonów i ich interakcji z atomami. Pojawił się w niej koncept emisji stymulowanej, w której wysokoenergetyczny atom trafiając na foton o odpowiedniej długości fali, emituje kolejny foton.
Nazwa „laser” to akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania).
GPS
Chyba każdy choć raz korzystał z nawigacji w smartfonie. Jest ona możliwa dzięki funkcji GPS (Global Positioning System), czyli obejmującemu swoim zasięgiem systemowi stworzonemu przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych. Działanie GPS polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału z satelitów do odbiornika (np. naszego smartfona). Znając prędkość fali i dokładny czas wysłania sygnału można obliczyć odległość odbiornika od satelitów, a tym samym wyznaczyć jego pozycję, z dokładnością do kilku metrów.
Wszystkie satelity tworzące sieć GPS zawierają ultradokładne zegary atomowe – wykorzystują one zjawiska mechaniki kwantowej. „Tykanie” zegara to oscylacja mikrofal powodująca przejście między dwoma szczególnymi stanami kwantowymi w atomie cezu lub rubidu.
Rezonans magnetyczny
Zjawisko zachodzące w zegarach atomowych to tzw. przejście nadsubtelne, wywodzące się z niewielkiego przesunięcia energii zależnego od tego, jak spin elektronu jest zorientowany względem spinu jądra atomowego. Wspomniane spiny są zjawiskami kwantowymi, dzięki którym elektrony, protony i neutrony zachowują się jak maleńkie magnesy. Odgrywają one ważną rolę w metodzie diagnostycznej znanej jako funkcjonalny magnetyczny rezonans jądrowy (fMRI). Koncepcja fMRI to tak naprawdę badanie MRI i rozszerzenie go o obserwację opartą na właściwościach krwi utlenowanej i nieutlenowanej.
Pacjenta umieszcza się w silnym polu magnetycznym – wbudowane cewki wysyłają impulsy elektromagnetyczne, co powoduje wzbudzenie spinów protonów w jądrach atomów wodoru (których jest pełno w naszym organizmie). Jądra atomów zostają namagnesowane i same stają się źródłem pola elektromagnetycznego. Kiedy wracają one do pierwotnej pozycji, emitują słabe promieniowanie, które jest wychwytywane przez odbiornik. Szybkość zaniku fali jest różna od właściwości magnetycznych tkanek – różne narządy zachowują się w inny sposób. Dzięki temu można odtworzyć obraz wnętrza badanego organizmu.
Tranzystory
W zestawieniu wynalazków, które działają dzięki zasadom fizyki kwantowej, nie mogło zabraknąć tranzystorów. Te z kolei są podstawą działania wszystkich smartfonów, komputerów, a nawet smartwatchów. Można wręcz powiedzieć, że cały przemysł komputerowy jest zbudowany na prawach mechaniki kwantowej, bo nie byłby w stanie istnieć gdyby nie półprzewodniki opierające się na strukturze pasmowej ciał stałych. To tak naprawdę zjawisko kwantowe, zależne od falowej natury elektronów.
Dzięki warstwom krzemu z domieszką różnych pierwiastków mamy tranzystory wykonane w nanometrowym procesie technologicznym. Miliony takich tranzystorów połączonych ze sobą tworzą układy scalone, bez których żaden smartfon nie mógłby działać. Bez naszego zrozumienia fizyki kwantowej, postęp w świecie elektroniki byłby znacznie wolniejszy.
