Aplicațiile fizicii cuantice în viaţa de zi cu zi

Deşi s-ar putea să vă surprindă, în prezent există mii sau chiar zeci de mii de dispozitive şi componente care funcţionează pe baza înţelegerii fizicii cuantice şi care se află chiar acum în jurul vostru.

Fără mecanica cuantică nu am fi avut tranzistorul. Credit: IvyMike/Flickr

Înainte de a întreba despre ele, trebuie să ştiţi că printre acestea nu se numără şi detergentul de vase (N.t  Aluzie la numele unui detergent de vase în care apare cuvântul cuantic).

Fizica cuantică este o ramură a ştiinţei care suscită un mare interes, uimire şi, de cele mai multe ori, nedumerire. Dar înainte de a vă spune cum fizica cuantică vă influenţează viaţa, trebuie mai întâi să vă prezint câteva noţiuni de bază.

Fizica cuantică

Fizica cuantică se axează pe explicarea comportamentului materiei şi luminii la o scară dimensională foarte mică, corespunzătoare atomilor și fotonilor („particulele” de lumină). Formalismul matematic al mecanicii cuantice le permite oamenilor de ştiinţă să cerceteze fenomenele fizice şi să le verifice prin experimente.

Nu există nimic deosebit în ceea ce priveşte fizica cuantică. Aceasta este o teorie ştiinţifică la fel ca oricare alta care îndeplineşte cerinţele riguroase ale metodei ştiinţifice.

Cu toate acestea, există cu siguranţă unele aspecte ciudate ale acestei teorii.

Cuvântul „cuantic” este definit în dicţionare ca însemnând cantitate, cota sau parte. Principiul cuantic a fost aplicat în studiile de pionierat cu privire la natura luminii şi materiei, deoarece experimentele au sugerat că rezultatele măsurătorilor pot avea doar anumite valori permise, o concluzie contrară observaţiilor noastre cu privire la ce ne înconjoară şi intuiţiei noastre.

Iată de ce fizica cuantică devine ciudată.

Conform fizicii cuantice nimeni nu poate să prevadă cu certitudine rezultatele unor măsurători experimentale. În acest sens, în mecanica cuantică rezultatele măsurătorilor sunt descrise în termeni de probabilități (cum ar fi, de exemplu, locul în care s-ar putea afla o particulă). De asemenea, fizica cuantică descrie lumina ca fiind atât particulă, cât şi undă, în același timp.

De ce este teoria cuantică atât de contraintuitivă? Ei bine, răspunsul la această întrebare încă face obiectul multor studii din domeniul cercetării principiilor fundamentale ale mecanicii cuantice. Acestea încearcă să elucideze ce se întâmplă cu adevărat la scara atomică.

În ciuda acestor ciudăţenii, fizica cuantică a devenit una dintre cele mai de succes teorii ştiinţifice care au fost dezvoltate până în prezent, oamenii de ştiinţă putând explica cu ajutorul ei proprietăţile luminii sau diferite fenomene fizice ce au loc în stele, gaze sau metale.

Cel mai important, teoria cuantică este predictivă, o cerință cheie în domeniul științei.

Aplicaţiile mecanicii cuantice

Să începem cu tehnologia informației (IT).

Tranzistorii sunt componentele fundamentale ale microprocesoarelor şi aceştia generează biţii de informaţii prin modul în care conduc curentul electric (1=conduc electricitatea, 0=nu conduc electricitatea). Tranzistorii sunt fabricaţi din materiale cunoscute sub numele de semiconductori, în care electronii purtători de electricitate pot ocupa doar anumite nivele discrete de energie, determinate de fizica cuantică. Pe măsură ce se adună mai mulţi electroni, aceştia formează benzi permise de energie care sunt descrise tot de fizica cuantică.

Structura de benzi a energiei electronilor poate fi modificată prin aplicarea unei tensiuni la firele conectate la tranzistor, ceea ce modifică modul în care acesta conduce electricitatea. Pe baza acestei proprietăţi de comutare se pot construi aceste componente electrice fundamentale.

Fără mecanica cuantică nu am fi înţeles semiconductorii, nu am fi putut proiecta tranzistorul şi astfel nu am fi avut microprocesoare.

Acelaşi lucru se poate spune şi despre alte dispozitive IT. Telefoanele mobile, de exemplu, folosesc circuite de înaltă frecvență care funcționează pe baza aceloraşi principii.

Pe Internet, ceasul computerului se poate sincroniza cu un server de timp care foloseşte ceasuri atomice. Acestea se bazează pe descrierea cuantică a atomilor și pe interacțiunea dintre lumină şi materie pentru a produce un „tic” extrem de stabil în timp.

Aproape fiecare componentă aferentă tehnologiei informaţiei, de la microprocesoarele din calculatoare şi servere până la modulatoarele optoelectronice şi diodele laser utilizate în comunicaţiile pe distanţă mare din cadrul Internetului, îşi datorează existenţa înţelegerii fizicii cuantice.

Acasă, în propria locuinţă, televizorul cu ecran plat pe care îl aveţi utilizează un panel cu iluminare de fundal cu LED-uri. Acesta foloseşte o sursă de lumină foarte eficientă din punct de vedere energetic cunoscută sub numele de diodă emiţătoare de lumină.

Benzile de energie din semiconductori descrise de fizica cuantică şi teoria lui Planck cu privire la emisia radiaţiilor sunt cele ce explică funcţionarea acestor dispozitive.

Unităţile optice de tip DVD utilizează un laser a cărui construcţie s-a bazat pe teoria cuantică a radiaţiei a lui Einstein şi pe progresele ulterioare în ceea ce priveşte emisia stimulată a radiației.

De asemenea, putem menţiona aici şi imagistica prin rezonanţă magnetică (RMN), o metodă modernă de investigaţie ce se bazează pe rezonanţa magnetică nucleară şi teoria cuantică a momentului cinetic de spin. Şi am putea continua…

Pentru a fi clar, toate acestea sunt dispozitive şi sisteme care au fost dezvoltate datorită cunoştinţelor dobândite cu privire la fizica cuantică.

Importanţa fizicii cuantice în viaţa de zi cu zi a fost estompată prin folosirea necontenită a cuvântul „cuantic” în activităţile de marketing pentru a sugera că anumite produse sunt „high-tech”, în diverse aplicaţii cum ar fi cele legate de stocarea datelor şi, da, chiar şi în cazul detergenţilor de vase. În mod similar, adepţii mişcării New Age au utilizat cuvântul „cuantic” pentru a descrie diferite idei absurde.

Toate acestea sunt vorbe fără sens.

Dacă cineva încearcă să vă vândă ceva pentru că este „cuantic”, puteţi acum separa adevărul de nonsens.

De asemenea, dacă vă întrebaţi de ce această ramură a fizicii este importantă pentru voi, trebuie doar să vă uitaţi în jurul vostru şi veţi vedea răspunsul căutat în aproape orice tehnologie modernă.

Traducere şi adaptare după Explainer: Quantum physics