W codziennym życiu intuicyjnie rozumiemy, jak działa świat. Upuść szklankę, a rozbije się o podłogę. Pchnij wózek, a będzie się toczył. Podejdź do ściany, a nie będziesz mógł przez nią przejść. Wokół nas działają bardzo podstawowe prawa fizyki, które instynktownie pojmujemy: grawitacja sprawia, że rzeczy spadają na ziemię, pchanie czegoś sprawia, że się porusza, dwie rzeczy nie mogą zajmować tego samego miejsca w tym samym czasie.

Na przełomie wieków naukowcy myśleli, że wszystkie podstawowe zasady tego typu powinny mieć zastosowanie do wszystkiego w przyrodzie – ale wtedy zaczęli badać świat ultramałych rzeczy. Atomy, elektrony, fale świetlne – żadna z tych rzeczy nie podlegała normalnym regułom. Gdy fizycy tacy jak Niels Bohr i Albert Einstein zaczęli badać cząsteczki, odkryli nowe prawa fizyki, które były wręcz dziwaczne. Były to prawa mechaniki kwantowej, a swoją nazwę wzięły od pracy Maxa Plancka.

„Akt desperacji”

W 1900 roku Max Planck był fizykiem w Berlinie badającym coś, co nazywano „katastrofą ultrafioletową”. Problem polegał na tym, że prawa fizyki przewidywały, że jeśli podgrzejesz pudełko w taki sposób, że żadne światło nie może się wydostać (znane jako „czarna skrzynka”), powinno ono produkować nieskończoną ilość promieniowania ultrafioletowego. W rzeczywistości nic takiego nie miało miejsca: pudełko promieniowało różnymi kolorami, czerwonym, niebieskim, białym, tak jak rozgrzany metal, ale niczego nie było nieskończenie wiele. To nie miało sensu. To były prawa fizyki, które doskonale opisywały jak zachowywało się światło poza pudełkiem – dlaczego nie opisywały dokładnie scenariusza czarnej skrzynki?

Planck spróbował matematycznej sztuczki. Założył, że światło nie jest tak naprawdę ciągłą falą, jak wszyscy zakładali, ale może istnieć tylko z określonymi ilościami, lub „kwantami” energii. Planck nie wierzył, że to prawda o świetle, w rzeczywistości później nazwał tę sztuczkę matematyczną „aktem desperacji”. Jednak po wprowadzeniu tej poprawki równania działały, dokładnie opisując promieniowanie pudełka.

Trzeba było trochę czasu, aby wszyscy zgodzili się, co to oznacza, ale w końcu Albert Einstein zinterpretował równania Plancka jako oznaczające, że o świetle można myśleć jako o cząstkach dyskretnych, tak jak o elektronach czy protonach. W 1926 roku fizyk z Berkeley, Gilbert Lewis, nazwał je fotonami.

Quanta, quanta everywhere

Ta idea, że cząstki mogą zawierać bryły energii tylko w pewnych rozmiarach, przeniosła się także do innych dziedzin fizyki. W ciągu następnej dekady Niels Bohr wciągnął ją do swojego opisu tego, jak działa atom. Powiedział, że elektrony poruszające się wokół jądra nie mogą mieć dowolnie małych lub dowolnie dużych ilości energii, mogą mieć tylko wielokrotności standardowego „kwantu” energii.

W końcu naukowcy zdali sobie sprawę, że to wyjaśnia, dlaczego niektóre materiały są przewodnikami elektryczności, a inne nie – ponieważ atomy z orbitami elektronowymi o różnej energii inaczej przewodzą elektryczność. To zrozumienie było kluczowe dla zbudowania tranzystora, ponieważ kryształ w jego rdzeniu jest wykonany przez zmieszanie materiałów o różnej przewodności.

Ale to też fale

Jest jedna z dziwnych rzeczy w mechanice kwantowej: tylko dlatego, że elektron lub foton może być uważany za cząstkę, nie oznacza, że nie może być uważany za falę. W rzeczywistości, w wielu eksperymentach światło zachowuje się dużo bardziej jak fala niż jak cząstka.

Ta natura fali daje pewne interesujące efekty. Na przykład, jeśli elektron podróżujący wokół jądra zachowuje się jak fala, to jego położenie w danym momencie staje się rozmyte. Zamiast znajdować się w konkretnym punkcie, elektron jest rozmazany w przestrzeni. To rozmycie oznacza, że elektrony nie zawsze poruszają się tak, jak byśmy tego oczekiwali. W przeciwieństwie do wody płynącej w jednym kierunku przez wąż, elektrony podróżujące jako prąd elektryczny mogą czasami podążać dziwnymi ścieżkami, szczególnie jeśli poruszają się blisko powierzchni materiału. Co więcej, elektrony działaj±c jak fala mog± czasami przebić się przez barierę. Zrozumienie tego dziwnego zachowania elektronów było niezbędne, gdy naukowcy próbowali kontrolować przepływ prądu przez pierwsze tranzystory.

Więc co to jest – cząstka czy fala?

Naukowcy interpretują mechanikę kwantową w taki sposób, że maleńki kawałek materiału, taki jak foton lub elektron, jest zarówno cząstką, jak i falą. Może być zarówno cząstką, jak i falą, w zależności od tego, jak się na to patrzy lub jaki rodzaj eksperymentu się przeprowadza. W rzeczywistości, być może dokładniej byłoby powiedzieć, że fotony i elektrony nie są ani cząstką ani falą – są niezdefiniowane aż do momentu, w którym ktoś na nie spojrzy lub przeprowadzi eksperyment, co zmusza je do bycia albo cząstką albo falą.

Pociąga to za sobą inne skutki uboczne: mianowicie, że wiele właściwości cząstek nie jest dobrze zdefiniowanych. Na przykład, istnieje teoria Wernera Heisenberga zwana Zasadą Niepewności. Stwierdza ona, że jeśli naukowiec chce zmierzyć prędkość i położenie cząstki, nie może tego zrobić bardzo dokładnie. Jeśli dokładnie zmierzy prędkość, to nie będzie w stanie zmierzyć pozycji prawie tak samo dokładnie. Nie oznacza to tylko, że nie ma on wystarczająco dobrych narzędzi pomiarowych – chodzi o coś bardziej fundamentalnego. Jeśli prędkość jest dobrze określona to po prostu nie istnieje dobrze określona pozycja (elektron jest rozproszony jak fala) i na odwrót.

Albertowi Einsteinowi nie podobała się ta idea. Kiedy został skonfrontowany z poglądem, że prawa fizyki pozostawiają miejsce na takie niejasności, oznajmił: „Bóg nie gra w kości z wszechświatem”. Mimo to większość fizyków akceptuje dziś prawa mechaniki kwantowej jako dokładny opis świata subatomowego. I z pewnością to właśnie dokładne zrozumienie tych nowych praw pomogło Bardeenowi, Brattainowi i Shockleyowi wynaleźć tranzystor.

Źródła:
— Where Does the Weirdness Go? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— What is Quantum Mechanics? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein exhibit at the American Institute of Physics
— Heisenberg exhibit at the American Institute of Physics

.