Leto 2025 je Mednarodno leto kvantne znanosti in tehnologije (IYQ),
- vesolje na veliki skali je neločljivo povezano s svetom kvantnih delcev, gradnikov narave, nas samih
Združeni narodi so 7. junija 2024 razglasili leto 2025 za Mednarodno leto kvantne znanosti in tehnologije (IYQ).
To posebno leto obeležuje 100-letnico razvoja kvantne mehanike in bo posvečeno dejavnostim,
ki bodo povečale ozaveščenost javnosti o pomenu kvantne znanosti in njenih aplikacij.
Leto 1925 je bilo ključno leto za kvantno mehaniko, kot jo poznamo danes.
Julija 1925 je Werner Heisenberg v revijo Zeitschrift für Physik oddal članek z naslovom
»On quantum-theoretical reinterpretation of kinematic and mechanical relationships /
O kvantno-teoretični reinterpretaciji kinematičnih in mehanskih odnosov«,
s čimer se je rodila moderna kvantna mehanika. Naslednje leto je Erwin Schrödinger,
ki je gradil na de Brogliejevi dualnosti valov in delcev ( λ = h/(mv) ), razvil valovno mehaniko (valovno enačbo),
kmalu pa je Max Born predstavil verjetnostno interpretacijo valovne funkcije.
Teorijo je še dodatno obogatil izključitveni princip Wolfganga Paulija in
Heisenbergov princip nedoločenosti, kar je na koncu privedlo do razvoja
relativistične kvantne mehanike s strani Diraca. Köbenhavnska interpretacija je
ustvarila verjetnostni okvir za razumevanje teorije. V preteklem stoletju
je kvantna mehanika utrla pot napredku v kvantni teoriji polja, računalništvu
in sodobnih tehnologijah.
To je kompleksen
proces, ki je privedel do razvoja kvantne mehanike in
potencialno vodi do novih prebojev sredi zahtevnih konceptualnih interpretacij,
kot jih recimo vidimo na področju umetne inteligence, kvantnih računalnikov
ali v kvantni prepletenosti - teleportaciji.
Ti dosežki so torej tlakovali pot kvantni revoluciji, ki je preoblikovala naše razumevanje fizičnega
in posredno duhovnega sveta.
Še beseda o Heisenbergovem načelu nedoločenosti.
Če želiš natančno vedeti, kje se elektron nahaja (precizno pozicijo lege X), moraš "pogledati" elektron
z zelo natančnim orodjem, kar pomeni, da moraš uporabljati svetlobo kratkih valovnih dolžin (ali delce z zelo
kratkimi valovnimi dolžinami λk). A kratkovalovna svetloba (energija fotona je E = hν = hc/λ)
bo zelo motila elektron in ga bo zagotovo premaknila (mu spremenila hitrost),
zato
ne boš mogel točno poznati njegove hitrosti (oz gibalne količine p = mv).
Če pa želiš natančno izmeriti hitrost (gibalno količino p) elektrona, moraš uporabiti svetlobo dolgih valovnih dolžin
λd, ki ne vplivajo zelo na elektron. Toda, s tem, da uporabljamo dolge valove, ne bomo mogli
točno določiti pozicije (X) elektrona (ločljivost take metode iskanja lege je namreč odvisna od valovne dolžine λ).
Heisenbergovo načelo nedoločenosti je kar produkt nedoločenosti gibalne količine (Δp) in nedoločenosti lege (Δx)
nekega kvantnega delca. Po nekoliko daljšem razmisleku pridemo do končnega izraza za kvantno nedoločenost:
ΔpΔx ≥ h/(4π)
Kjer je h Planckova konstanta in znaša h ≈ 6.626070×10-34 J·s = 4.135667696...×10-15 eV·Hz-1 .
Še opomba - mednarodni kvantni dan [World Quantum Day] od leta 2022 obeležujemo 14. aprila,
to je sklicevanje na zaokrožene prve številke Planckove konstante 4,14...×10-15 eV·Hz-1.
Heisenbergovo načelo nedoločenosti
ΔpΔx ≥ h/(4π) je tako kar v temeljih spremenilo pogled na svet (nekateri so se ga
razveselili – da ni vse določeno – drugi ga niso nikoli sprejeli, ker nam nedoločenost postavlja omejitve;
"kdo pa si želi omejitev, znanstveniki najmanj - a vendar so temelj našega tehnološkega sveta!").
Veliko je bilo torej nasprotovanj, saj to načelo nasprotuje determinističnim dogmam stare
klasične fizike (ko smo še upali, da bomo nekoč lahko vse natančno izmerili, izračunali,
napovedali v naprej – a temu nikoli ne bo tako; nekateri so v tem videli konec fizike,
drugi šele pravi začetek). Začelo se je obdobje verjetnostnega pristopa k kvantni fiziki
in postavilo mejo eksperimentalni natančnosti. Ta korak, zgolj verjetnostni opis sveta
atomskih delcev, je Einstein videl le kot začasno rešitev – njegov argument je bil:
»Bog je morda prebrisan, vendar ni zloben.«.
Maxu Bornu pa je napisal, da je zagotovo prepričan,
da on (Bog) ne kocka. N. Bohr pa mu je odvrnil, da naj vendar ne ukazuje Bogu. No – (skoraj)
vsi so se sklicevali na Boga ... in vsak je verjel, da je na njegovi strani. Tudi, če ima
Einstein prav (da v ozadju ni kockanja), nam to nič ne pomaga pri opisu, meritvah sveta –
zmeraj nas bo spremljala nedoločenost lege in gibalne količine. V astronomiji (v svetu velikih
teles) nam postavlja omejitve tako hitrost svetlobe (opazujemo lahko le končno vidno obzorje
vesolja, od koder nas je še dohitela svetloba iz preteklosti), kot tudi ločljivost samih inštrumentov,
tudi zaradi uklona svetlobe ... Velja preprosta trditev - zmeraj le snov (recimo človek) gleda, opazuje
drugo snov - večinoma prejema odbito valovanje ali direktno izsevano valovanje od druge snovi – in valovanju se
lahko valovna dolžina premakne zaradi Dopplerja in gravitacijskega premika (tudi gravitacijskih
valov), na valovanje vpliva tudi vmesna snov, sipanje, uklon ... A tisto kar šteje, niso zgolj omejitve (recimo
načelo nedoločenosti, zgolj verjetnostna porazdelitev delcev v prostoru in času), šteje to,
da se zavedamo obnašanja snovi, valovanj, naštetih omejitev (a le te tudi nosijo s sabo tudi zelo
dragocene informacije), in da iz »nepopolnega« sveta potegnemo čim več koristnih informacij
pri iskanju resnice o nas in svetu. In že do sedaj smo bili nepričakovano zelo, zelo uspešni
(a čaka nas še ogromno presenečenj) – in prav je, da se to res imenitno in prigarano znanje
prenese na mlade – tudi preko šol (da se nit vedenj in radovednosti iz preteklosti v bodočnost
ne prekine – kot se je žal že večkrat prekinila po svetu in tudi v Sloveniji).
Obstaja luštna šala na tematiko principa nedoločenosti
gibalne količine in lege. Takole "se je zgodilo".
Bohr s "pametnim" mobilcem telefonira Heisenbergu, ki ravno drvi z avtom
v službo. Bohr ga poheca, da je na sledi njegovemu telefonu in mu tako pove njegovo natančno prekoračitev hitrosti.
A Heisenberg se odzove kot pravi fizik: "U, sedaj ko si mi povedal, kako hitro se peljem, pa ne vem kje sem, čisto sem zgubljen!"
Noben proces v vesolju torej ni brez omejitev - limit - to nam sporoča tudi kvantana mehanika
(opisi, napovedi in merjenja
v svetu osnovnih gradnikov narave). Tudi meritve v vesolju so omejene s hitrostjo svetlobe, z razdaljo in
z ukrivljenostjo prostor-časa (z gravitacijo). In zagotovo nekaj podobnega velja
tudi za človeka, za vse njegove fizične in miselne napore, dejavnosti, koncepte.
Naj si gre za odnos do okolja, pretirana degradacija le tega je avtodestruktivna (tukaj so še genski
motilci, ki uničijo človekovo samopodobo, hormonsko ravnovesje in posledično delovanje možganov)
ali ko gre za grobo vpletanje politike, ideologij v življenje človeka
(tudi tukaj morata politika in religija spoznati svoje omejitve - meja so človekove pravice, ki imajo
temelje že v vsaj 2000 let starih duhovnih knjigah ...).
Omenimo še, da je W.
Heisenberg napisal imenitno knjigo "Del in celota" - pogovori v območju atomske fizike
(prevedla in izdala jo je Mohorjeva družba iz Celja, 1977, COBISS.SI-ID - 7722753 )
in to knjigo smo v osemdesetih letih 20. stoletja brali takrat vsi študentje fizike in še kdo,
ne glede na vzgojo ...
Vsekakor se moramo zavedati, da je vesolje na veliki skali neločljivo povezano s svetom kvantnih delcev
in z zakoni, ki veljajo med osnovnimi delci narave, to je med kvantnimi delci, ki tvorijo svet atomov, molekul,
tudi življenje.
Tako lahko govorimo o sosledju dogodkov: začetek vesolja, veliki pok,
širjenje vesolja - nastanek osnovnih delcev narave - življenje.
In hkrati nam ti naši modeli nakazujejo, razpirajo resnico,
da so nukleoni (protoni, nevtroni) in ostali osnovni gradniki sveta, elektroni, kvarki,
bozoni (gluoni, fotoni, Higgsov bozon ... - to so nosilci sil,
ki povezujejo fermione, recimo kvarke v protone in nevtrone,
le te pa v atomska jedra, v atome, molekule ...) nastali na začetku vesolja z velikim pokom.
In vse to so osnove razvitega življenja in sama srčika življenja je fotosinteza, ki je seveda kvantni pojav
par excellence.
Omenimo še poimenovanje "Božji delec",
okrog katerega se delno kaže stoletna kulturna napetost znotraj zahodne civilizacije, ki žal seže tudi v znanost.
Higgsov bozon poznamo tudi pod imenom "Božji delec"!
Nekateri zavračajo to ime, spet
drugi predlagajo prav nasprotno poimenovanje ("Totally Secular Particle" ali kar »Masson«).
Ime "Božji delec" mu je dodelila istoimenska knjiga 'Božji delec: če je vesolje odgovor,
kaj je vprašanje? (The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?)',
ameriškega fizika Leona Ledermana, ki pa je dejansko želel, da ga imenujemo »Preklet delec«
(Goddamn particle – zaradi težavnosti odkrivanja), a si je urednik izprosil ime "Božji delec".
Na Boga so se sklicevali tako Newton, Faraday, Maxwell, Einstein ... tako da tako poimenovanje
zagotovo dodatno poudari zagato, kako težko je doumeti ter opisati dogajanje v naravi in samo
sosledje dogodkov v vesolju.
Higgsov bozon zelo hitro razpade - v času 1 zeptosekunde v druge delce – in kdo je Higgsovemu
bozonu dal »maso - energijo« (otroško vprašanje ali tudi ne in v tem kontekstu poimenovanje »Božji delec«
simbolično nekaterim veliko pomeni, drugim pač ne)? A bistveno je, da se ga da detektirati in
razumeti!?
Higgsov bozon je torej nosilec polja ( fiziki so vsakemu polju pripisali delce,
ker si drugače ne znajo (znamo) predstavljati delovanja med delci – spomnimo se na podajanje žoge, ko silo prenaša žoga,
ko jo primemo ali odvržemo ...).
Higgsov bozon v zgodnjem vesolju pripravi kvarke do sodelovanja, jih upočasni (na manjšo hitrost
od svetlobne) in s tem gre del energije v maso (materijo). Morebiti ni odveč primerjava, da je
Higgsov bozon nekaj takega v svetu osnovnih delcev, kot je pri ljudeh želja po sodelovanju
(to željo sicer težko definiramo, a deluje) - da torej delujemo kot skupnost, kajti drugače
iz nas ne bi bilo praktično nič. Smo ljudje, ker sodelujemo (prenašamo in dopolnjujemo kulturne
pridobitve iz roda v rod – govor, pisano besedo, izročilo, hrepenenje po presežnem, znanje,
umetnost, miselne in ročne spretnosti ..., no danes tudi nemo gledanje v ekrane,
pa še nekatere manj krepostne vrline imamo, recimo napuh ...). Torej ne begamo
v prazno, ampak se ustavimo (ustavi nas »Higgsov« bozon sodelovanja), premislimo
in skupaj delamo naprej. Higgsov bozon je imel torej podobno vlogo na začetku vesolja
in to pri tvorbi materije. Higgsov bozon je v resnici zelo težko slikovito razložiti,
sploh če nam šola v programu ne ponudi opisa koncepta polj v naravi – zato je nekdanji
angleški minister za znanost William Waldegrave leta 1993 celo podelil nagrado profesorju
Davidu Millerju iz UCL za najboljšo laično razlago Higgsovega bozona. Profesor David Miller
pravi takole. "Higgsovo polje" ima to lastnost - da maso lahko razumemo kot merilo upora
proti gibanju (za manjšo hitrost od svetlobne). "Higgsovo polje" je prof. prikazal kot sobo
fizikov, ki med seboj živahno klepetajo. Soba je torej polna ljudi, v prostor pa vstopi nov
znanstvenik in vznemirja - z vsakim korakom privablja nove občudovalce in vsi močno sodelujejo,
debatirajo z njimi - podpisuje avtograme ... Množica se še kar zbira okrog znanega znanstvenika,
obkrožen z novimi oboževalci, se zato zmeraj težje premika po sobi - v tej analogiji pridobi maso
zaradi "polja" oboževalcev, pri čemer vsak oboževalec deluje kot en sam Higgsov bozon. A v sobo
vstopi še en znanstvenik – tako se pojavita dve množici okoli različnih znanstvenikov, ena velika
in ena majhna. Če torej v sobo vstopi manj priljubljen (uspešen ali manj retorično spreten)
znanstvenik, se zbere okrog njega le majhna množica, nihče ne prosi za pozornost.
Lažje se premika po sobi - po analogiji je njegova interakcija z bozoni manjša,
zato ima manjšo maso. Z uporabo dveh različnih metod odkrivanja so fiziki v CERN-u
(pospeševalnik protonov, to je hadronov: LHC - Large Hadron Collider) zaznali maso,
ki bi naj bila v območju Higgsovega bozona. Julija 2012 sta skupini sodelavcev
na detektorjih CMS in ATLAS neodvisno sporočili, da sta potrdili odkritje prej neznanega
bozona z maso med 125–127 GeV/c2, katerega lastnosti se s standardno deviacijo
5 sigma »ujemajo« s Higgsovom bozonom. Zato je večina raziskovalcev iz tega področja
prepričanih, da je Higgsov bozon odkrit!
Astronomski krožek,
- 28. apr. 2025
Lanska jesen, zima, letošnja pomlad je bila precej naporna zame, tako
sem se tokrat po nekajtedenski odsotnosti spet vrnil na teraso gimnazije,
v astronomski observatorij (v našo rotundo). V tem času se je marsikaj dogajalo.
Najprej nas je pozdravila zahajajoča zelo, zelo mlada Luna - čudovit prizor v večerni zarji.
Cika je dobila novo obleko
Iz Poljske smo prejeli na novo naparjeno zrcalo (30 cm, f/5) naše Cike in slika je za kako magnitudi ali dve
svetlejša. Poteza je bila torej še kako smiselna.
To noč smo prenovljeno Ciko s pridom izkoristili in si ogledali pomladansko večerno nebo, mejna mag. je bila blizu
19,7.
Najprej smo si z menija prekrasnega večernega pomladnega zvezdnega nebesnega svoda
privoščili seveda zelo mlado Luno, tanek srp - krasen prizor,
Jupiter s progami in "Simonovimi" lunami je bil še zmeraj spodoben, enako Mars s polarnima kapama, ki kaže izrazito meno.
Sestre Plejade so zahajale, od Oriona se je bahala zgolj še Betelgeza, na vzhodu pa je Vega že
oznanjala - prihaja poletje. Voznik s Kapelo in Dvojčka sta se že zelo približala severozahodu,
Mars intenzivno beži vstran od Dvojčkov proti Raku, veličastni Lev pa kraljuje na zahodnem nebu.
Spika in Krokar pa na Jugu oznanjata pomlad, mogočni Volar pa se baha na jugovzhodu.
Na nebu dominira torej ARS - znameniti Pomladni trikotnik, ki ga tvorijo Arktur, Regul, Spika.
Sedaj se je začel lov na velike, milijone sv. let oddaljene, družine zvezd - torej na galaksije.
Najbolj nas je očaral znameniti par galaksij M81, M82 v Velikem medvedu
- tam smo se počutili skoraj, kot da bi bili kje
nad 1000 me n. v. Tudi galaksiji Vrtinec M51 in spremljevalka NGC 5195 (ali kdaj tudi M51b, ozvezdje Lovska psa),
sta bili iz Šentvida redko
tako očitni, kontrastni, kot nocoj. No tudi prenova Spike - ogledala - je najbrž naredila svoje.
Ogledali smo si še razsuti kopici M35, M44 in nato še čudovit Sombrero, to je galaksijo M104 v Devici (oddaljena
29,3 milijona sv. let) z znamenitem temnim pasom prahi na sredi (kot krof v negativu).
Potem smo se pomaknili v Leva, kjer smo poiskali galaksiji M65, M66 - potem še galaksije M105, M95, M96.
Nakar smo poskusili še srečo v Berenikinih kodrih, kjer mrgoli galaksij, a bile so že precej v kupoli
svetlobno onesnažene Ljubljane. Potem smo se vrnili v Velikega medveda in občudovali še
galaksijo M108 - in zraven megličko M97 imenovano tudi Sovica
(zaradi dveh temnejših dokaj simetričnih predelov, polsenc, ki spominjata na oči sove
v dokaj okrogli meglici).
Cika se je torej izkazala.
A zapihal je hladen veter in tako smo se umaknili v observatorij
in navrgli kar nekaj razmišljanj o AI in programiranju, o tragičnem vdoru ideologij, čiste politike v znanost,
o električnem mrku v Španiji in na Portugalskem, o zgodovini spleta (tudi o obletnici - 30 let naše domače strani),
o velikem pomenu ARNES-a, o prvih spletnih tehnologijah,
o imenitni Khamovi radijski oddaji Zanimivosti nočnega neba v sklopu oddaje Doživetja narave (Radiu Ognjišče),
kjer sta nastopila Klemen in Andrej ...
Zadržali smo se nekoliko predolgo, a to je čar astronomije.
In še slikica in pojasnilo za dejstvo - da Saturnovi prstani začasno, a očitno izginjajo ... :)
Saturnovi prstani očitno izginjajo
Avtorstvo slike & avtorske pravice:
Natan Fontes
Pojasnilo:
Kje so Saturnova ušesa?
Galileju
pripisujejo zasluge kot prvi osebi, ki je leta 1610 videla
Saturnove prstane.
Med preizkušanjem teleskopa, ki ga je neodvisno izumil
Lipperhey Galileo ni vedel, kaj so, zato jih je poimenoval
"ušesa".
Skrivnost se je poglobila leta 1612, ko so Saturnova ušesa
skrivnostno izginila.
Danes natančno vemo, kaj se je zgodilo: z
zemeljske, perspektive so Saturnovi prstani postali
pretanki, da bi jih videli.
Ista drama se odvija vsakih 15 let, ker Saturn, tako kot Zemlja, doživlja
letne čase, ki jih povzroča nagib.
To pomeni, da se lahko Saturnov
ekvator in
prstani med kroženjem okoli Sonca opazno nagnejo proti Soncu in notranjemu
Osončju, zaradi česar so zlahka vidni, vendar se z drugih orbitalnih
lokacij skoraj ne bodo videli.
Predstavljena slika posneta iz
Brazilije v Braziliji
prikazuje sodobno različico tega zaporedja: zgornja slika, na kateri prevladujejo prstani, je bila posneta leta 2020, spodnja slika,
na kateri prstani niso vidni, pa je bila posneta v začetku leta 2025.
Vir: APOD
..
