În viața de zi cu zi, înțelegem intuitiv cum funcționează lumea. Aruncați un pahar și acesta se va sparge pe podea. Împingeți o căruță și aceasta se va rostogoli. Mergeți spre un zid și nu puteți trece prin el. Există legi de bază ale fizicii în jurul nostru pe care le înțelegem instinctiv: gravitația face ca lucrurile să cadă la pământ, împingerea unui lucru îl face să se miște, două lucruri nu pot ocupa același loc în același timp.

La începutul secolului, oamenii de știință au crezut că toate regulile de bază de acest fel ar trebui să se aplice la tot ceea ce există în natură – dar apoi au început să studieze lumea celor foarte mici. Atomii, electronii, undele luminoase, niciunul dintre aceste lucruri nu a urmat regulile normale. Pe măsură ce fizicieni precum Niels Bohr și Albert Einstein au început să studieze particulele, au descoperit noi legi ale fizicii care erau de-a dreptul ciudate. Acestea au fost legile mecanicii cuantice și și-au primit numele de la activitatea lui Max Planck.

„Un act de disperare”

În 1900, Max Planck era un fizician din Berlin care studia ceva numit „catastrofa ultravioletă”. Problema era că legile fizicii preziceau că, dacă încălziți o cutie în așa fel încât să nu poată ieși nicio lumină (cunoscută sub numele de „cutie neagră”), aceasta ar trebui să producă o cantitate infinită de radiații ultraviolete. În viața reală nu s-a întâmplat așa ceva: cutia radia culori diferite, roșu, albastru, alb, așa cum face metalul încălzit, dar nu exista o cantitate infinită de nimic. Nu avea sens. Acestea erau legi ale fizicii care descriau perfect modul în care lumina se comporta în afara cutiei – de ce nu descriau cu exactitate acest scenariu de cutie neagră?

Planck a încercat un truc matematic. El a presupus că lumina nu era cu adevărat o undă continuă, așa cum presupunea toată lumea, ci poate că putea exista doar cu cantități specifice, sau „cuante”, de energie. Planck nu credea cu adevărat că acest lucru era adevărat despre lumină, de fapt, el s-a referit mai târziu la acest truc matematic ca fiind „un act de disperare”. Dar cu această ajustare, ecuațiile au funcționat, descriind cu exactitate radiația cutiei.

A durat ceva timp până când toată lumea a căzut de acord asupra a ceea ce însemna acest lucru, dar în cele din urmă Albert Einstein a interpretat ecuațiile lui Planck ca însemnând că lumina poate fi privită ca particule discrete, la fel ca electronii sau protonii. În 1926, fizicianul Gilbert Lewis de la Berkeley le-a numit fotoni.

Cuante, cuante pretutindeni

Această idee că particulele pot conține doar bucăți de energie de anumite dimensiuni s-a mutat și în alte domenii ale fizicii. În decursul deceniului următor, Niels Bohr a introdus-o în descrierea sa a modului de funcționare a unui atom. El a spus că electronii care călătoresc în jurul unui nucleu nu puteau avea cantități de energie arbitrar de mici sau arbitrar de mari, ci puteau avea doar multiplii unui „cuantum” standard de energie.

În cele din urmă, oamenii de știință și-au dat seama că acest lucru explica de ce unele materiale sunt conductoare de electricitate, iar altele nu – deoarece atomii cu orbite electronice de energie diferită conduc electricitatea în mod diferit. Această înțelegere a fost crucială pentru construirea unui tranzistor, deoarece cristalul din miezul său este realizat prin amestecarea unor materiale cu diferite cantități de conductivitate.

Dar și ei sunt unde

Iată una dintre ciudățeniile mecanicii cuantice: doar pentru că un electron sau un foton poate fi considerat o particulă, nu înseamnă că nu poate fi considerat și o undă. De fapt, într-o mulțime de experimente, lumina se comportă mult mai mult ca o undă decât ca o particulă.

Această natură ondulatorie produce unele efecte interesante. De exemplu, dacă un electron care călătorește în jurul unui nucleu se comportă ca o undă, atunci poziția sa la un moment dat devine neclară. În loc să se afle într-un punct concret, electronul este împrăștiat în spațiu. Această împrăștiere înseamnă că electronii nu călătoresc întotdeauna așa cum ne-am aștepta. Spre deosebire de apa care curge într-o singură direcție printr-un furtun, electronii care se deplasează sub formă de curent electric pot urma uneori trasee ciudate, mai ales dacă se deplasează în apropierea suprafeței unui material. Mai mult decât atât, electronii care acționează ca o undă pot uneori să străpungă direct o barieră. Înțelegerea acestui comportament ciudat al electronilor a fost necesară atunci când oamenii de știință au încercat să controleze modul în care curgea curentul prin primii tranzistori.

Atunci ce este – o particulă sau o undă?

Cercetătorii interpretează mecanica cuantică în sensul că o bucățică mică de material precum un foton sau un electron este atât o particulă, cât și o undă. Poate fi oricare dintre ele, în funcție de modul în care este privită sau de tipul de experiment pe care îl face cineva. De fapt, ar putea fi mai corect să spunem că fotonii și electronii nu sunt nici o particulă, nici o undă – ei sunt nedefiniți până în momentul în care cineva îi privește sau efectuează un experiment, forțându-i astfel să fie fie fie o particulă, fie o undă.

Acest lucru vine cu alte efecte secundare: și anume că o serie de calități pentru particule nu sunt bine definite. De exemplu, există o teorie a lui Werner Heisenberg numită Principiul Incertitudinii. Acesta afirmă că, dacă un cercetător dorește să măsoare viteza și poziția unei particule, nu le poate face pe amândouă cu mare precizie. Dacă el măsoară viteza cu atenție, atunci nu poate măsura poziția aproape la fel de bine. Acest lucru nu înseamnă doar că nu are instrumente de măsurare suficient de bune – este mult mai fundamental decât atât. Dacă viteza este bine stabilită, atunci pur și simplu nu există o poziție bine stabilită (electronul este împrăștiat ca o undă) și viceversa.

Lui Albert Einstein nu-i plăcea această idee. Când a fost confruntat cu ideea că legile fizicii lasă loc pentru o asemenea neclaritate, el a anunțat: „Dumnezeu nu se joacă la zaruri cu universul”. Cu toate acestea, majoritatea fizicienilor acceptă astăzi legile mecanicii cuantice ca fiind o descriere exactă a lumii subatomice. Și, cu siguranță, înțelegerea aprofundată a acestor noi legi a fost cea care i-a ajutat pe Bardeen, Brattain și Shockley să inventeze tranzistorul.

Resurse:
— Unde se duce ciudățenia? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— Ce este mecanica cuantică? 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

.