Μια θεωρία με πολλή αβεβαιότητα-Κβαντική Θεωρία

"Αυτός ο κόσμος, ο μικρός ο Μέγας"   Άξιον Εστί
Οδυσσέας Ελύτης
Quantum=μικρή ποσότητα
Κβάντωση σημαίνει ότι μια φυσική ποσότητα πχ η ενέργεια μπορεί να πάρει μόνο συγκεκριμένες τιμές.
Στο μακρόκοσμο η ενέργεια δεν είναι κβαντισμένη μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. 
Στο τέλος του 18ου αιώνα η εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας  ερμηνεύοταν με βάση την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του James  Maxwell ( 1831 – 1879).
Η θερμική ακτινοβολία  είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από τις ταλαντώσεις των ατόμων της πηγής θερμότητας.Η συχνότητα  ταλάντωσης των ατόμων καθορίζει και τη συχνότητα της ακτινοβολίας.Η θερμή πηγή εκπέμπει ενέργεια που λογικά θα έπρεπε να κατανέμεται ισομερώς σε όλες τις συχνότητες της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα θερμό σώμα.
Τα πειραματικά αποτελέσματα όμως δείχνουν άλλη εικόνα .Η ενέργεια που εκπέμπεται δεν κατανέμεται ισομερώς.Yπήρχαν και άλλα πειραματικά δεδομένα που η κλασική ηλεκτρομαγνητική θεωρία αδυνατούσε να ερμηνεύσει,όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και το φαινόμενο σκέδασης των ακτίνων Χ(φαινόμενο Compton).
Μια νέα θεωρία γεννιέται  όταν δημιουργούνται αντιφάσεις μεταξύ της πραγματικότητας και της θεωρίας.
Το 1900 ο Max Plank που θεωρείται ο πατέρας της κβαντικής θεωρίας ερμήνευσε την εκπομπή της ακτινοβολίας από τα θερμά σώματα κάνοντας  δύο επαναστατικές υποθέσεις.
1)Η ενέργεια των ατόμων δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή .Μπορεί να πάρει μόνο διακριτές(κβαντισμένες ) τιμές.
Η θερμική ενέργεια δεν ρέει συνεχώς όπως το νερό,αλλά ασυνεχώς σαν να εκπέμπονται μπαλάκια ενέργειας από τη θερμή πηγή.
2)Το ποσό της ενέργειας που μπορεί να εκπέμψει ένα άτομο ή να απορροφήσει με μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας  ,μπορεί να πάρει μόνο διακριτές τιμές.
Ο Αϊνστάιν αποδέχθηκε τη θεωρία του Plank και ερμήνευσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Σύμφωνα με τη κβαντική θεώρηση η διακριτή τιμή και η στοιχειώδης ποσότητα που δεν διαιρείται ονομάζεται κβάντουμ.
Η φωτεινή πηγή εκπέμπει κβάντα φωτός,τα φωτόνια.
Τα φωτόνια είναι σωματίδια με μάζα μαι ορμή.
Το φως όμως είναι και ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Η κβαντική θεωρία δέχεται το παράδοξο της συνύπαρξης της σωματιδιακής και κυματικής φύσης του φωτός.
Είκοσι χρόνια αργότερα από την  υπόθεση Αινστάιν ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα όπως το φως έχει και σωματιδιακή υπόσταση,ο Luis de Broglie τo 1924 πιστεύοντας στην ομοιόμορφη συμπεριφορά τη φύσης,διατύπωσε την άποψη  ότι οποιοδήποτε κινούμενο σωματίδιο έχει και κυματική φύση.Η υπόθεση de Broglie επιβεβαιώθηκε με το πείραμα σκέδασης  ηλεκτρονίων που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα.Σύντομα απεδείχθη ότι και άλλα σωματίδια όπως τα πρωτόνια ,νετρόνια έχουν κυματική συμπεριφορά.
Η ύλη στη κβαντική θεωρία παρουσιάζει κυματοσωματιδιακό δυϊσμό ,ένα δεδομένο  πειραματικά πολύ καλά  θεμελιωμένο .
Αυτή η θεώρηση δημιουργεί ένα σημαντικό πρόβλημα.Η σωματιδιακή φύση υπαγορεύει ότι η θέση του μπορεί να προσδιοριστεί αυστηρά στο χώρο.Αντίθετα ένα κύμα εκτείνεται στο χώρο.
Η απάντηση της κβαντομηχανικής είναι ακατανόητη "δεν μπορούμε να γνωρίζουμε που ακριβώς βρίσκεται"το σωματίδιο.
Η αδυναμία προσδιορισμού της θέσης και της ταχύτητας είναι σύμφυτη με τη κβαντική δομή της ύλης,δεν έχει σχέση με την ικανότητα του πειράματος ή του ερευνητή να προσδιορίσει τα μεγέθη.
Ο Erwin Schrödinger το 1925 διατύπωσε μια μαθηματική εξίσωση ,την περίφημη Κυματοσυνάρτηση Ψ  θέσης και χρόνου που περιγράφει το σωματίδιο-κύμα.Με αυτή τη κυματοσυνάρτηση υπολογίζεται η πιθανότητα εύρεσης του σωματιδίου ανά μονάδα όγκου και όχι η ακριβής θέση.
Ο Werner Heisenberg το 1927 διατύπωσε την αρχή της αβεβαιότητας:
"Δεν είναι δυνατόν να μετρήσουμε τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου με απεριόριστη ακρίβεια."Η αρχή της αβεβαιότητας αμφισβητεί την αιτιοκρατία (ντετερμινισμός).Καθορισμένες συνθήκες δεν οδηγούν σε ορισμένο προβλέψιμο αποτέλεσμα.Εισάγεται η έννοια του πιθανότερου αποτελέσματος μεταξύ διαφόρων δυνατών αποτελεσμάτων.
Ένα από τα παράδοξα της κβαντομηχανικής είναι το φαινόμενο σήραγγας .Στο φαινόμενο αυτό ένα σωμάτιο παγιδευμένο μέσα σε ένα φραγμό δυναμικού υπάρχει πιθανότητα να βρεθεί εκτός του πηγαδιού ακόμη και εαν δεν έχει την απαραίτητη ενέργεια. Πως θα φαινότανε ένα μπαλάκι του γκολφ να βγαίνει από τη τρύπα χωρίς να έχει κατάλληλη ταχύτητα?Aν το φαινόμενο σήραγγας εφαρμόζοταν στο επίπεδο των ανθρωπίνων διαστάσεων ,ο άνθρωπος είναι παγιδευμένος στο χώρο λόγω του πεδίου βαρύτητας θα μπορούσε να δραπετεύσει ακόμα και εαν δεν έχει τη κατάλληλη ενέργεια?Επιστημονική φαντασία προς το παρόν.
Στο οικοδόμημα της κβαντομηχανικής συμμετείχε και ο Δανός Φυσικός Niels Bohr ( Βραβείο Νobel  το 1922) σε αυτόν οφείλεται η κβάντωση του χώρου.Σύμφωνα με το Bohr τα ηλεκτρόνια στο άτομο  κινούνται σε καθορισμένες επιτρεπόμενες τροχιές.Η άποψη αυτή είναι παράλογη ,αν την επεκτείνουμε στο κόσμο των αισθήσεων μας σημαίνει ότι η φύση δεν επιτρέπει πχ οποιοδήποτε ύψος κτιρίων,μόνο συγκεκριμένα ύψη επιτρέπονται.  Όλοι οι χώροι θα έχουν ορισμένες επιτρεπόμενες διαστάσεις.Στο εσωτερικό του ατόμου τα  περιφερόμενα σε τροχιές ηλεκτρόνια έχουν όλες τις ιδιότητες τους κβαντισμένες ,όπως το φορτίο,την ενέργεια,την στροφορμή που ονομάζεται spin.
H κατάσταση ενός ηλεκτρονίου περιγράφεται από τέσσερις κβαντικούς αριθμούς.
Ο Wolfgang Pauli το 1925  διατύπωσε μια "απαγορευτική αρχή "ότι κανένα ηλεκτρόνιο δεν έχει και τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς ίδιους.
Η κβαντική θεώρηση της φύσης έχει ασυνέχεια ,απαγορεύσεις,περιορισμούς που εκφράζονται μέσω των κβαντικών αριθμών.
Μεταξύ του κόσμου των αισθήσεων μας (μακρόκοσμος) και του μικρόκοσμου (άτομα,υποατομικά σωματίδια) υπάρχει φαινομενικά μεγάλη διαφορά στους νόμους της φύσης.Η φύση όμως είναι ενιαία δεν μπορεί να έχει διαφορετικούς νόμους .Βασικό αξίωμα της επιστημονικής σκέψης είναι η καθολική ισχύς των νόμων.Η εξήγηση που δόθηκε είναι ότι οι νόμοι της φύσης είναι οι νόμοι της κβαντικής φυσικής οι οποίοι εκφυλίζονται σαν οριακή περίπτωση στο μακρόκοσμο.(Αρχή της αντιστοιχίας)
Ο κύριος κβαντικός αριθμός  n που περιγράφει μια κβαντική ιδιότητα πχ την ενέργεια παίρνει ακέραιες τιμές 1,2,3,4,5......Oι μικροί αριθμοί από 1 έως 7 περιγράφουν διακεκριμένες τιμές της ιδιότητας στο μικρόκοσμο ,όσο αυξάνει η τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού και τείνει στο άπειρο οι τιμές της ιδιότητας παύουν να είναι διακριτές και γίνονται συνεχής στο μακρόκοσμο.
Η κβαντική θεωρία είναι ασύμβατη με τη κοινή λογική ,δημιουργήθηκε στη προσπάθεια να ερμηνευτεί η φαινομενική συμπεριφορά της ύλης,δημιουργήθηκε για να περιγράψει μια μη ορατή στις αισθήσεις μας πραγματικότητα.Η κβαντομηχανική επί  έναν αιώνα βρίσκεται σε διαρκή έλεγχο μέσω πειραματισμού αλλά δεν έχει διαψευστεί.
Δεν είναι απόλυτα βέβαιο ότι περιγράφει τη πραγματικότητα του μικρόκοσμου,αφού από μόνη της έχει την αβεβαιότητα και την απροσδιοριστία.
  Σημείωση: H εικόνα δείχνει τα σωματίδια που παράγονται από το σημείο σύγκρουσης δύο ιόντων χρυσού. Διακρίνονται ακτινικά οι τροχιές  που χαράσσουν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια στο μαγνητικό πεδίο του ανιχνευτή.