II.8. Consecințele mecanicii cuantice.

(Nu face parte din programa școlară)

O primă consecință a evoluției undei de probabilitate este efectul de tunelare cuantică.

La contactul cu un obstacol (perete), o parte a undei de probabilitate se reflectă și alta se transmite prin perete, asemeni luminii ce cade pe suprafața apei (ea se și întoarce în aer, dar se și transmite prin apă).

Cum probabilitatea de a găsi particula în spatele peretelui, fără să interacționeze cu el și fără să piardă energie, este nenulă, putem găsi particula dincolo de perete.

Acest lucru nu se întâmplă în lumea macrocosmosului. Dacă eu m-aș lovi de un perete de nenumărate ori, nu am nicio șansă să trec prin perete.

Efectul de tunelare cuantică are aplicații în dezintegrarea alfa, reacția de fuziune ce are loc în stele, în electronică (diodele tunel din circuitele de frecvențe de ordinul gigahertzilor, memoriile flash care pot șterge datele stocate).

Însă, efectul de tunelare cuantică impune o limită a miniaturizării circuitelor electronice, datorită scăderii distanței dintre componente, caz în care electronii vor trece necontrolat dintr-o parte în alta.

O consecință a faptului că electronul nu este o biluță clasică (care se mișcă după legile mecanicii newtoniene, ci o undă de probabilitate) este superpoziția cuantică și colapsul cuantic (schimbare bruscă).

Un sistem cuantic este într-o stare de superpoziție cuantică (inseparabilitate cuantică, eng. quantum entanglement) când este în același timp în toate stările sale clasice.

Când facem o măsurătoare a stării lui (căutăm ochelarii), unda de probabilitate va colapsa cuantic într-o stare clasică (ochelarii sunt pe masă).

Pentru a evidenția paradoxurile mecanicii cuantice, s-au efectuat numeroase exerciții mentale.

Cel mai renumit exercițiu de imaginație este cel al pisicii lui Schrödinger: o pisică aflată într-o cutie împreună cu un atom radioactiv.

Unda de probabilitate în superpoziția cuantică va conține două numere complexe, câte unul pentru fiecare stare clasică.

Înainte de a închide cutia avem o situație clasică :|pisică vie; atom nedezintegrat>.

Primul număr complex al undei de probabilitate este unu, iar cel de-al doilea este zero pentru a doua stare clasică :|pisică moartă; atom dezintegrat>.

După ce închidem cutia și nu ne mai uităm în ea, probabilitatea evoluează și cel de-al doilea număr devine nenul și spunem că sistemul pisică-atom radioactiv este într-o stare de superpoziție cuantică a celor două stari clasice.

Când privim în cutie, facem o măsurătoare a stării ei și unda de probabilitate va colapsa cuantic într-una din cele două situații clasice:

|pisică vie; atom nedezintegrat> sau

|pisică moartă; atom dezintegrat>.

Între măsurători, unda de probabilitate evoluează continuu.

Colapsul cuantic are loc la fiecare măsurătoare și nu între măsurători. La o măsurătoare identică succesivă primei măsurări, unda de probabilitate va descrie cu precizie valoarea tocmai măsurată în experiment, astfel încât mediul înconjurător (observatorul) nu mai este de ignorat în modelarea sistemelor.

Mecanica cuantică sugerează că informația poate fi transmisă instantaneu între particule înlănțuite (entanglate sau cuplate cuantic) aflate la mare depărtare în univers.

Această încrengătură cuantică prevede aplicații:

• în dezvoltarea computerelor cuantice (de un milion de ori mai rapide decât cele clasice cu tranzistori care codifică informația sub formă de biți, 0 sau 1). Computerul cuantic utilizează proprietățile cuantice ale materialului (superpoziția și decoerența) pentru a efectua operațiuni pe qubit-uri a căror stare cuantică poate avea un număr foarte mare de valori în același timp (1, 0, 0+1, 0-1 etc). Proiectarea acestora este dificilă datorită realizării practice a qubitului. Primul procesor cuantic a fost creat în 2009 la Universitatea Yale și care are doi qubiți compuși fiecare dintr-un miliard de atomi de aluminiu așezați pe un suport supraconductor.

• în criptografie cuantică care folosește încrengătura cuantică ca o cheie de criptare. Emițătorul și receptorul trebuie să dețină fiecare componentele încrengăturii cuantice. Dacă mesajul este interceptat, orice măsurătoare distruge mesajul prin modificarea stării lui cuantice. Mesajul poate fi citit doar de cineva care cunoaște ce măsurători cuantice trebuie să facă pentru a descifra mesajul.

• în teleportare, adică deplasarea unui corp dintr-un loc în altul, fără ca obiectul să parcurgă spațiul dintre cele două poziții. Teleportarea cuantică nu se referă la deplasarea obiectelor dintr-un loc în altul, ci la deplasarea informației cuantice. În 1997 a fost realizată prima teleportare a unui foton care a fost scanat și proprietățile sale cuantice au fost copiate pe un foton de schimb. În 2006 a fost teleportat un obiect microscopic conținând miliarde de atomi, la o distanță de jumătate de metru. În 2021, Nasa a reușit să teleporteze biți cuantici de fotoni de-a lungul a 44 de kilometri de fibră optică. În prezent este în construcție prima rețea de internet cuantic în apropiere de Chicago, care va lega calculatoarele cuantice între ele.

În anul 1957, fizicianul american Hugh Everett (1930-1982) a emis ipoteza universurilor paralele, prin eliminarea colapsului cuantic la orice măsurătoare.

Astfel, la orice măsurare, unda de probabilitate totală evoluează în continuare cu toate componentele clasice ale stării de superpoziție în multiuniversuri.

Aceste universuri împart același timp și spațiu și au o evoluție independentă unele față de altele.

De exemplu, după examenul meu la facultate, rezultatul acestuia era o stare de superpoziție a două stări clasice: am reușit la facultate și nu am reușit la facultate. După afișarea rezultatului (măsurarea) nu a mai avut loc colapsul cuantic al stării în care nu am luat examenul și cele două stări clasice au continuat să evolueze în două universuri paralele. Într-unul eu am devenit profesoară, în celălalt nu am devenit profesoară. În plus, în aceste universuri multiple, la fiecare moarte, sufletul va supraviețui în componenta vie, deoarece și moartea poate fi privită ca o măsurătoare cuantică. Într-un univers apare moartea produsă de un defect și în alt univers continuă viața și astfel vorbim de nemurirea cuantică.

Mecanica cuantică are puternice implicații filozofice, chiar dacă ea se aplică numai corpurilor microscopice.

În fizica clasică, proprietățile corpului observat sunt independente de observator.

Fizica cuantică evidențiază că proprietățile obiectului nu sunt intrinseci obiectului, ci sunt determinate de relația obiect-observator. Când nu facem măsurători, obiectele cuantice sunt în superpoziție cuantică și au o evoluție a undei de probabilitate nelocalizată.

Mecanica cuantică afirmă că, la nivelul microcosmosului, Universul nu există într-o formă deterministă, ci este o colecție de unde de probabilitate a particulelor cu o evoluție liniară.