Dziedzina fizyki zajmująca się badaniem zjawisk w skali atomowej i subatomowej. Powstała w latach 20. XX wieku. Główni twórcy to m.in. Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr i Werner Heisenberg. Opisuje zachowanie cząstek elementarnych, atomów i fotonów. Opiera się na zasadzie nieoznaczoności Heisenberga i dualiźmie korpuskularno-falowym. W przeciwieństwie do fizyki klasycznej wprowadza pojęcie kwantyzacji – wielkości fizyczne przyjmują tylko określone wartości.

Znajduje zastosowanie m.in. w elektronice, chemii i technologiach kwantowych.

Fizyka kwantowa to ciekawa dziedzina nauki, która całkowicie zrewolucjonizowała nasze rozumienie rzeczywistości na poziomie najmniejszych cząstek.

Przy kwantowym obowiązują zaskakujące zasady, które przeczą zdrowemu rozsądkowi i codziennym doświadczeniom. Cząstki elementarne mogą znajdować się jednocześnie w wielu miejscach, a ich zachowanie jest probabilistyczne, niedeterministyczne. Właśnie te osobliwe zjawiska sprawiają, że mechanika kwantowa jest jednocześnie najbardziej precyzyjną i najbardziej tajemniczą teorią fizyczną.

Fundamentalne siły natury i ich rola w kształtowaniu struktury Wszechświata kwantowego

Przy kwantowym występują cztery fundamentalne oddziaływania: Grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe jądrowe. Każde z nich ma określony zasięg i intensywność. Siła elektromagnetyczna jest 137 razy słabsza od oddziaływania silnego, ale biliony razy silniejsza od grawitacji. Właśnie te siły determinują zachowanie wszystkich znanych cząstek elementarnych (których obecnie znamy ponad 400 rodzajów). Teoria unifikacji – najbardziej ambitny projekt aktualnej fizyki – próbuje połączyć wszystkie te oddziaływania w jeden spójny opis matematyczny. Kwantowa chromodynamika opisuje ciekawy świat kwarków i gluonów. Te fundamentalne składniki materii nigdy nie występują samodzielnie – zjawisko to nazywamy uwięzieniem. Superpozycja i splątanie kwantowe to zjawiska, które całkowicie wymykają się klasycznemu opisowi rzeczywistości. Eksperymenty pokazują, że cząstki mogą być ze sobą skorelowane nawet gdy dzielą je ogromne odległości. „To zjawisko Einstein nazwał upiornym działaniem na odległość” – i do teraz pozostaje ono jedną z największych zagadek fizyki.

Aktualnie zastosowania mechaniki kwantowej w technologii i medycynie przyszłości

Niezwykłe właściwości mechaniki kwantowej znajdują coraz szersze zastosowanie właściwie. Aktualnie procesory wykorzystują efekty tunelowe, a precyzyjne zegary atomowe bazują na przejściach kwantowych. Czy jesteśmy świadkami początku rewolucji kwantowej? Jak daleko mogą sięgać możliwości technologii opartych na zjawiskach kwantowych?

Badania pokazują, że do 2025 roku globalne inwestycje w technologie kwantowe przekroczą 50 miliardów dolarów. superintegracja układów scalonych osiąga już granice wyznaczane przez efekty kwantowe – tranzystory mają rozmiary zaledwie kilkudziesięciu atomów. Przy zjawisk kwantowych występują bardzo intrygujące paradoksy (kot Schrödingera, paradoks EPR, zasada nieoznaczoności Heisenberga). Mechanika kwantowa podważa nasze intuicyjne rozumienie powodówowości i lokalności. Dekoherencja kwantowa i kolaps funkcji falowej to zjawiska, które wciąż wymykają się pełnemu zrozumieniu. Teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa próbują połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności – to największe wyzwanie aktualnej fizyki teoretycznej.

Fizyka kwantowa cząstek elementarnych i oddziaływania fundamentalne – co powinno się wiedzieć o budowie materii?

Fizyka kwantowa cząstek elementarnych zajmuje się badaniem najmniejszych składników materii i ich wzajemnych oddziaływań. W modelu standardowym wyróżniamy dwie główne grupy cząstek: fermiony (które tworzą materię) oraz bozony (odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań). Do fermionów zaliczamy kwarki (budujące protony i neutrony) oraz leptony (np. elektrony i neutrina). Obecnie znanych jest 6 rodzajów kwarków i 6 rodzajów leptonów. W przyrodzie występują cztery podstawowe rodzaje oddziaływań fundamentalnych: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe. Każde z tych oddziaływań jest przenoszone przez odpowiednie cząstki pośredniczące – bozony. Foton przenosi oddziaływania elektromagnetyczne, gluony – silne, bozony W i Z – słabe, a hipotetyczny grawiton miałby być odpowiedzialny za grawitację. Model standardowy opisuje z wysoką dokładnością trzy z czterech oddziaływań, jednak wciąż nie udało się połączyć go z teorią grawitacji.

Fizyka kwantowa w teleportacji materii – co wiemy o aktualnych badaniach i perspektywach rozwoju

Teleportacja kwantowa to ciekawy obszar badań naukowych, który aktualnie przyciąga coraz większą uwagę naukowców. Nowe eksperymenty w dziedzinie teleportacji kwantowej pozwoliły na przesłanie informacji kwantowej na odległość ponad 100 kilometrów z wykorzystaniem splątanych fotonów. Zjawisko splątania kwantowego, które Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”, jest ważnym elementem w procesie teleportacji. Obecnie naukowcy koncentrują się na trzech głównych aspektach:

• Zwiększenie odległości, na jaką można przesyłać informację kwantową
• Poprawa stabilności i niezawodności procesu teleportacji

Choć jesteśmy jeszcze daleko od teleportacji obiektów makroskopowych znanej z filmów science fiction, osiągnięcia w dziedzinie teleportacji kwantowej znajdują już zastosowanie w kryptografii kwantowej i rozwoju komputerów kwantowych. Postęp w tej dziedzinie może zrewolucjonizować przyszłe systemy komunikacji i przetwarzania informacji.

Jak świadomość obserwatora wpływa na eksperymenty w fizyce kwantowej – wyjaśnienie zjawiska

W mechanice kwantowej rola obserwatora jest elementarna i mocno różni się od tej w fizyce klasycznej. Zgodnie z interpretacją kopenhaską, przed dokonaniem pomiaru układ kwantowy znajduje się w superpozycji wszystkich możliwych stanów. Dopiero akt obserwacji powoduje tak zwany kolaps funkcji falowej, czyli wybranie jednego konkretnego stanu. Zjawisko to zostało zobrazowane w słynnym eksperymencie myślowym „kot Schrödingera”, gdzie kot znajduje się jednocześnie w stanie żywym i martwym, dopóki nie otworzymy pudełka. Świadomość obserwatora stała się przedmiotem gorących debat naukowych, szczególnie w kontekście eksperymentu z podwójną szczeliną, gdzie sam akt obserwacji zmienia zachowanie cząstek. Niektórzy naukowcy, jak Roger Penrose, sugerują nawet związek między świadomością a zjawiskami kwantowymi w mikrotubulach mózgu.