Fizyka kwantowa w życiu codziennym

Fizyka kwantowa w naszym życiu

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

Laser

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

System GPS jest tworzony przez sieć satelitów

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

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

Bez tranzystorów nie byłoby komputerów i smartfonów

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.