2019-ben a Juhari Zsuzsanna-díj különdíjában részesült tudományos és fantasztikus podcast & blog

A macskák és a kvantummechanika

2020. október 06. - Bardóczné Kocsis Erzsó

Oly korban élünk, amikor bárminémű esemény történik, szinte a tudományos hírekkel egyidőben születnek meg az adott témáról a mémek, azaz a rövid, vicces konzekvenciák. Sőt, gyakran épp ez a nyúlfarknyi szösszenet hívja fel a szélesebb közönség figyelmét egy-egy ismeretterjesztő információra. Így járt Erwin Schrödinger kvantummechanikai elmélete is.

physics-3864569_1280.jpg

Ha azt mondom: , ahol {\hat {H}} a Hamilton-operátor, azt hiszem nem sokan tudnák, miről is beszélek. De ha azt írom, hogy egy dobozban a macska élő és holt egyszerre, sokan lelkesen bólogatni kezdenek, hogy ezt ismerik! Schrödinger a cicával egy gondolatkísérletet végzett, amellyel a kvantummechanika szükséges abszurditásaira próbálta felhívni a figyelmet.

A kvantummechanika működik, segítségével is le tudjuk írni a körülöttünk lévő világot; az, hogy most ezt a pár sort valamilyen digitális eszközön el tudjuk olvasni, az is innen eredeztethető.

Schrödinger munkásságának Albert Einstein fotonelmélete volt az előfutára (1921. Nobel-díj). Említésre méltó még Max Planck (1919. Nobel-díj), majd Ernest Rutherford (1908. Nobel-díj) munkássága is.

Az, hogy a részecskék egyben hullámok is, azt Louis de Broglie mondta ki 1923-ban (1929. Nobel-díj). Werner Heisenberg (1932: Nobel-díj; Teller Ede mellette készítette el doktori disszertációját; 1964-ben az ELTE díszdoktorává avatta) és Wolfgang Pauli (1945. Nobel-díj) is valamint Paul Dirac (1933. Nobel-díj, amit közösen kaptak meg Schrödingerrel) az alapító ősatyáknak nevezhetőek. Magyar vonatkozásban meg kell említeni Wigner Jenőt (1963. Nobel-díj) és Neumann Jánost is (következő fotónkon), akik többek közt az atomhéjat és az atommagot írták le matematikai módszerekkel.

Gyorstalpaló kvantumelméletből, hogy megértsük, ezek után hogyan is kerül ide egy macska?

  • Határozatlansági reláció: azaz az objektum helye és sebessége nem mérhető egyszerre.
  • Valószínűségi leírás jellemzi, a hagyományos fizikában lévő determinisztikus leírás helyett.
  • Bizonyos fizikai mennyiségek csak diszkrét értéket vehetnek fel, mondjuk csak egész számokat, ez a kvantáltság, ami kvantumokban, azaz adagokban történik.
  • Létezik egy legkisebb energiájú állapot, ez az alapállapot.

Ha felrajzoljuk Schrödinger hullámgörbéjét a potenciálgödörben, értelmezni tudjuk a diszkrét energiaszinteket valamint a négy egyszerű szabályát is, amikkel leírhatjuk, hogy az energiaszintek hullámai merre fognak görbülni valamint mennyi lesz a pontos értékük.

A részecskék hullámtulajdonságokkal rendelkeznek, amit az úgynevezett hullámfüggvény ír le, és a Schrödinger-egyenlet határoz meg. Ez az egyenlet ugyanolyan szerepet játszik a részecskék viselkedésének a leírásában, mint a Newton-törvények a klasszikus mechanikában, amivel meghatározható egy részecske mozgása, ha ismerjük a rá ható erőket. A kvantumfizikában viszont erők helyett inkább a potenciális energiával írják le a részecske környezetét.

Schrödinger (előző fotónkon) ezt a már említett gondolatkísérlettel vázolta fel. Ez az a példa, amit mindenki kisebb-nagyobb részletekben ismer. Lássuk, miről is szól pontosan!

Veszünk egy dobozt, beleteszünk egy darabka radioaktív izotópot, egy GeigerMüller-számlálót, egy ahhoz kötött kalapácsot, egy mérges gázzal teli üvegcsét. Ha az izotópban elbomlik egy atom, a műszer érzékeli, meglöki a kalapácsot, ami összetöri az üvegcsét, így a vegyi anyag kiszabadul, a cicó pedig elpusztul. Kap a rendszerünk hatvan percet, majd feltehetjük a kérdést: él-e még a macskánk? A jószág kvantum-szuperpozícióban lesz, egyszerre élő és halott, de csak addig, míg ki nem nyitjuk a dobozt, azaz a mérést el nem végezzük.

Kvantumszinten a dilemma: az ún. kvantum-szuperpozíció, amelynél a részecskék egészen addig több állapotban léteznek, amíg meg nem figyeljük őket.

A fizikus arra akart rávilágítani, hogy a szuperpozíció kizárólag kvantumszinten, vagyis elemi részecskék méretében lehet érvényes, mivel makroszinten a klasszikus fizika szabályai érvényesek, egy macska vagy él, vagy halott, de a kettő egyszerre semmiképpen nem lehetséges.

schrodinger.jpg

Viszont a cicamicánk a kvantummechanika segítségével, hogy Dávid Gyula (ELTE TTK, Atomfizikai Tanszék) előadásából idézzek:

"Csak összebarkácsolt egy hidrogén molekulát nekünk végül."

A kvantumelmélet furcsa szabályai ellentmondanak a józan észnek. De a matematikája működik. Az interpretációja az, ami feladja a leckét: mit is jelent, amit mutat a műszerem? Meg tudjuk magyarázni a korábban misztikusnak vélt kémiai fogalmakat úgy, mint a kovalens kötést, a vegyértéket, a vegyrokonságot. Levezethetjük, hogy a hidrogénatomok alapállapotban vannak, ezért lesz mindegyik egyforma, illetve miért a lapjukon pihennek a kőkockák és nem a sarkukon valamint miért nem egyformák a Naprendszerek?

Ez lesz a végső következtetésünk: az igen bonyolult és gyakran meghökkentő világunk szépen levezethető az új fizika, a kvantummechanika segítségével. Le tudjuk írni helyesen és sikeresen a valóságot. Azt a valóságot, ami sokkal furcsább és bonyolultabb annál, mint valaha gondoltuk.

Schrödinger macskája pedig köszöni szépen, jól van.

emTV.hu // képeink illusztrációk

Tudományban partnerünk a Planetology.hu és a Coolstarz!

tudomany_es_fantasztikum.jpg

A bejegyzés trackback címe:

https://parallaxis.blog.hu/api/trackback/id/tr216228760

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

süti beállítások módosítása