Преди сто години, на един тих и скалист остров, германският физик Вернер Хайзенберг поставя началото на поредица от научни открития, които ще променят облика на физиката. Именно там, на остров Хелголанд, Хайзенберг разработва основите на квантовата механика. По онова време квантовата теория представляваше разхвърляна сбирка от идеи за странностите в света на атомите.
През юни 1925 г., едва 23-годишен, Хайзенберг се усамотява на Хелголанд, търсейки облекчение от тежка алергия. Морският въздух с ниско съдържание на полени превръща острова, разположен на 60 км от брега на Германия, в лечебно убежище — и в същото време в идеално място за размишления върху загадките на атомния свят.
Една сутрин Хайзенберг преживява пробив. „Имах чувството, че през повърхността на атомните явления съзирам някакъв странно красив вътрешен свят, и ми се зави свят при мисълта, че трябва да проуча това изобилие от математически структури, които природата щедро е разпростряла пред мен“, пише той по-късно. „Бях твърде развълнуван, за да спя, и когато се съмна, се запътих към южния край на острова, където отдавна исках да се изкача върху една скала, стърчаща в морето. Сега го направих без усилие и зачаках изгрева.“
Днес физиците съзират зората на нова квантова ера. Работата на Хайзенберг и неговите съвременници не само промени разбирането ни за материята, но и даде основата на нови технологии. Съвременните изследвания – често наричани втората квантова революция – се фокусират върху прецизен контрол на квантовите системи, създавани и използвани по поръчка. Учените все по-уверено „огъват“ квантовите явления по своя воля, за да тласкат технологиите напред и да разгадаят още от тайните на Вселената.
Тази революция е колективно усилие на физици по цял свят, които работят по различни фронтове. Първата квантова революция също не е дело на един човек. Романтичният, макар и вероятно приукрасен разказ на Хайзенберг е само малка част от историята на квантовата механика.
След завръщането си от Хелголанд, Хайзенберг обсъжда идеите си с колеги и през юли публикува известна, но изключително трудна за тълкуване статия. По-късно Макс Борн и Паскуал Йордан формализират математиката в статия от септември, а през ноември — в съвместна работа с Хайзенберг. През 1926 г. Ервин Шрьодингер публикува своя алтернативна, но математически еквивалентна теория. Така много учени превръщат първоначалната бъркотия от квантови ефекти в цялостна и мощна математическа рамка.
Влиянието на квантовата механика върху физиката трудно може да бъде надценено.
„Теорията е изследвана, развита и прилагана към впечатляващо разнообразие от явления. Тя е в основата на съвременното ни разбиране за физическата реалност“, казва физикът Карло Ровели от Центъра за теоретична физика в Екс-Марсилия, Франция. „Обяснява всичко – от основите на химията до цвета на предметите, от светлината на Слънцето до образуването на галактики.“
Квантовата механика стои и в основата на безброй технологии: лазери, транзистори (включително в смартфоните), соларни панели, LED светлини, ЯМР-устройства и атомни часовници, без които GPS навигацията би била невъзможна.
Но за да разгърнат потенциала на втората квантова революция, учените трябва да усвоят някои от най-странните аспекти на теорията — суперпозицията и заплитането.
В квантовата механика позицията, скоростта и други свойства на частиците се описват не с точност, а с вероятности. Така частиците могат да се намират в състояние на суперпозиция — не в едно, а в няколко състояния едновременно. Знаменитият пример с „котката на Шрьодингер“, която е едновременно жива и мъртва, илюстрира парадоксалността на тази концепция.
Заплитането (ентангълмънт) е друг удивителен феномен, при който състоянията на две частици се свързват така, че измерването на едната моментално определя състоянието на другата — дори ако са на огромно разстояние една от друга.
С напредъка в контрола върху суперпозицията и заплитането, физиците изграждат технологии като квантови компютри, с които могат да се извършват изчисления, невъзможни за класическите машини. Развиват се и квантови сензори и комуникационни мрежи, които обещават нови нива на сигурност.
Паралелно с технологичните разработки, учените се приближават до някои от най-дълбоките въпроси във физиката: дали има предел до какъв мащаб могат да се проявяват квантови ефекти, и ако да — къде е границата между квантовия и класическия свят? Как да се съчетае квантовата механика с Общата теория на относителността — теорията на Айнщайн за гравитацията?
Източник: https://www.sciencenews.org
