Delta mi!

Wyobraźmy sobie, że gotujemy wodę na gazie. Spieszy nam się, więc co chwila podnosimy przykrywkę garnka i sprawdzamy, czy woda się gotuje. Ale im częściej sprawdzamy, tym bardziej czas nam się dłuży. "A watched pot never boils" - pilnowany garnek nigdy nie wrze - mówią Anglicy. To jednak jest uczucie czysto subiektywne. Zjawiska fizyczne, jakie spotykamy na co dzień, podlegają identycznym procedurom niezależnie, czy je obserwujemy, czy nie. Teorie fizyczne, które stosujemy do opisu zjawisk, nie interesują się w ogóle takimi "formalnościami" jak pomiary i obserwacje.

Obliczenia kwantowe wykorzystują ideę superpozycji kwantowej, która pozwala na przygotowanie układów kwantowych w "wielu stanach jednocześnie", w celu uzyskania nieosiągalnego na komputerach klasycznych zrównoleglenia obliczeń i rozwiązania bardzo trudnych problemów matematycznych w czasie nieosiągalnym dla tradycyjnych urządzeń liczących. Przykładem obliczeń prostych dla komputerów kwantowych, a trudnych dla klasycznych, jest rozkład liczby na czynniki pierwsze. Trudność tego problemu jest kluczowa dla bezpieczeństwa ogromnej większości zaszyfrowanej komunikacji internetowej.

Drobne pęknięcia fundamentów mechaniki klasycznej i klasycznej elektrodynamiki, które objawiły się w drugiej połowie XIX wieku, doprowadziły do niewyobrażalnego przełomu naukowego i technologicznego. Narodziła się mechanika kwantowa, a opowieść o jej sformułowaniu i zaprzęgnięciu do realizacji naszych potrzeb to historia triumfu ludzkiego umysłu - narządu, który pierwotnie służył przede wszystkim do gonienia mamuta. Trudno wymienić wszystkie korzyści, jakie na co dzień czerpiemy ze znajomości tej teorii. Układy scalone w każdym komputerze czy telefonie komórkowym oparte są na tranzystorach półprzewodnikowych, których konstrukcja wymaga znajomości kwantowej teorii ciała stałego...

Wydaje się, że moc, szybkość obliczeniowa współczesnych komputerów, bazujących na krzemie, osiąga swoje plateau wynikłe z ograniczeń natury materiałowej. Jednocześnie w wielu dziedzinach życia codziennego, poczynając od prób unikania korków w planowanej podróży, poprzez minimalizację kosztochłonności produkcji aż po liczne zaawansowane zagadnienia badawcze z zakresu teorii sterowania, staramy się optymalizować nasze postępowanie. Wobec wspomnianych ograniczeń sprzętowych pozostaje nam poszukiwanie nowych algorytmów dla optymalizacji lub zupełnie nowych paradygmatów obliczeniowych - być może kwantowych?

"Informacja jest fizyczna" powiedział Rolf Landauer, fizyk, któremu zawdzięczamy zrozumienie faktu, że usunięcie 1 bitu informacji z pamięci komputera wiąże się z nieuniknionym wytworzeniem ciepła o wartości gdzie jest temperaturą otoczenia, a stałą Boltzmanna. Był to wynik, który pokazał, że warto myśleć o fizycznych podstawach przetwarzanej przez nas informacji, aby zrozumieć ograniczenia i perspektywy dalszego rozwoju komputerów. Dziś wiemy, że materia na poziomie mikroskopowym opisywana jest przez prawa fizyki kwantowej...

Wyplatanie było ważnym osiągnięciem technologicznym, dzięki któremu tworzono powrozy, koszyki, łapcie, płoty, tkaniny itp. Z drugiej strony czynność ta nie zawsze była poważana, o czym świadczy powiedzenie "pleść trzy po trzy".

Już około 2500 lat temu Leukip i Demokryt z Abdery wiedzą, że świat składa się wyłącznie z niepodzielnych elementów materii ("atomów") oraz z próżni. Mechanika Newtona (XVII w.) operująca pojęciami absolutnego czasu i absolutnej przestrzeni umożliwia po raz pierwszy w historii jakościowy opis zachowania się cząstek materii (np. planet, a także fotonów uznawanych wówczas za korpuskuły). Faraday i Maxwell (XIX w.) dodają do listy składników świata pojęcie pola (np. pole elektromagnetyczne). Teoria względności Einsteina (XX w.) łączy czas i przestrzeń: dzięki temu na początku minionego stulecia świat składa się z czasoprzestrzeni, cząstek i pól, przy czym pole grawitacyjne zostało powiązane z nieeuklidesową geometrią czasoprzestrzeni...

Mechanika kwantowa, choć sformułowana ponad sto lat temu, wciąż zaskakuje. Przyczyną jest odmienność teorii kwantów od fizyki klasycznej, a co za tym idzie, zjawisk przez nią przewidywanych od doświadczanych w życiu codziennym. W warstwie teoretycznej zasadnicza różnica między oboma podejściami tkwi w tym, jak traktują układy fizyczne...

Słynny dwuszczelinowy eksperyment Younga, który przekonywał o falowej naturze światła, tak naprawdę dowodzi jego kwantowej natury. Interferencja nie znika, kiedy przepuszczamy przez szczeliny pojedyncze fotony, a nawet gdy zastąpimy je pojedynczymi obiektami tak skomplikowanymi jak fulereny.

Lokalny realizm, którego oczywistość przywoływali Einstein, Podolski i Rosen w swoim słynnym paradoksie (EPR) w celu zakwestionowania przewidywań mechaniki kwantowej, nie wytrzymał doświadczalnych prób wykazujących łamanie wynikających z niego nierówności zaproponowanych (kilkadziesiąt lat później) przez Bella.

W ostatnich latach XIX i pierwszych XX wieku fizyka przeżywała jedyny jak dotąd kryzys w swoich dziejach. Co to właściwie znaczy "kryzys" w odniesieniu do fizyki?

Czym jest sekunda? Dlaczego jej długość ciągle się zmienia? Jak działa zegar atomowy? Dlaczego pojedynczy pomiar sekundy może trwać kilkanaście minut? I dlaczego ostatecznie nigdy nie znamy aktualnego czasu?2

Mechanika kwantowa wprawiała i ciągle jeszcze wprawia matematyków w zakłopotanie, dostarczając tym samym wielu interesujących problemów. Zaczęło się od Diraca, który różniczkował funkcje nieróżniczkowalne i otrzymywał sensowne wyniki. Potrzeba było lat, by rzecz uporządkować: stworzono (zob. Delta 10/1975) teorię dystrybucji, na gruncie której poczynania Diraca nabrały głębokiego matematycznego sensu.

Za początek nowej, kwantowej ery w fizyce przyjmuje się zazwyczaj rok 1900. Wtedy to właśnie fizyk niemiecki Max Planck odkrył tak zwany kwant działania, którego wielkość, równa

jest uniwersalną stałą fizyczną charakteryzującą procesy zachodzące w świecie obiektów mikroskopowych...

Niewątpliwie tą teorią fizyczną, która najbardziej współdecyduje o obliczu fizyki współczesnej, jest mechanika kwantowa. Szereg jej twierdzeń i postulatów trudno zrozumieć w świetle naszego doświadczenia codziennego. Toteż właściwie od momentu jej powstania - a upływa właśnie pięćdziesiąt lat, odkąd przyjęła postać niemal definitywną - budziła ona wiele wątpliwości i prowokowała do sprzeciwu. Do dziś szereg kwestii interpretacyjnych nie znalazło jeszcze ostatecznego wyjaśnienia i nie brak fizyków, którzy się spodziewają, że stanie się to w końcu powodem do sformułowania nowej, lepszej teorii...

Wszystko to brzmi nieprawdopodobnie - powiecie po przeczytaniu dwóch poprzednich artykułów o mechanice kwantowej. Jak to, najbardziej fundamentalna teoria mikroświata pozwalająca przewidzieć wyniki doświadczeń z fantastyczną dokładnością nie może sobie poradzić z opisaniem losów zwykłego, swobodnego elektronu?!

W popularnych opracowaniach na temat fizyki kwantowej zwykło się rozpoczynać wywody od opisu zadziwiających doświadczeń, z pomocą których odsłaniają fizycy tajemnice świata atomowego. W opisach tych roi się od potężnych akceleratorów, strumieni niedostrzegalnych cząstek pędzących z prędkością światła, rozbijanych jąder atomowych i innych, trudnych do wyobrażenia zjawisk. Kładąc nacisk na niezwykłość zdarzeń zachodzących w świecie cząstek atomowych, porywamy co prawda wyobraźnię czytelnika, słuchacza czy widza, ale pozostawiamy nieco w cieniu ogrom twórczej myśli ludzkiej tkwiącej we współczesnej fizyce atomowej.

Nieodwracalność procesów makroskopowych jest ewidentna. Z jajek łatwo zrobić jajecznicę, a odwrotnego procesu jakoś nie udało się dotąd zaobserwować. Z drugiej strony nieodwracalność jest jednym z najbardziej zastanawiających fenomenów fizycznych, bo mikroskopowe prawa fizyki, tak klasycznej, jak kwantowej nie wyróżniają strzałki czasu.

Od początku XVIII wieku interferencja uważana jest przez kolejne pokolenia wyedukowanych za dowód na falową naturę światła. Mechanika kwantowa spłynęła po nich jak po gęsi, skutkując powstaniem potworka dualizmu korpuskularno-falowego. Pasztet ten jest aktualnie serwowany w dawkach o różnej toksyczności w standardowym procesie edukacji.

Jak odkryto, że tlen i azot składają się z cząsteczek dwuatomowych i czy zawsze tak jest?

Zasada szufladkowa Dirichleta jest w anglojęzycznym świecie spopularyzowana jako pigeonhole principle: po włożeniu trzech gołębi do dwóch przegródek w którejś z przegródek będą co najmniej dwa gołębie.

Czy da się zagotować mrożoną kawę, umieszczając ją w zamrażalniku? Codzienne doświadczenie miłośników frappé podpowiada, że nie. Są jednak układy fizyczne, w których energia układu będącego w kontakcie z chłodnym otoczeniem potrafi wzrosnąć...

Kwantowy komputer ma (potencjalnie) umożliwić (przybliżone) przeprowadzanie rachunków, na które ani piasku (krzemu), ani czasu nie wystarczy w całym kosmosie. Nie jest wykluczone, że (nie tylko ludzki) mózg jest takim komputerem, ale nawet jeżeli tak, to nie mamy do niego odpowiedniego międzymordzia.

Tegoroczną Nagrodę Nobla z fizyki otrzymali François Englert oraz Peter Higgs za „teoretyczne odkrycie mechanizmu, który przyczynia się do zrozumienia źródła mas cząstek subatomowych i który został ostatnio potwierdzony odkryciem przewidywanej fundamentalnej cząstki przez zespoły badawcze ATLAS i CMS, działające przy CERN-owskim Wielkim Zderzaczu Hadronów”.

Od dłuższego czasu słyszymy o wspaniałej przyszłości komputerów kwantowych, a i naszej przy okazji. Sytuacja wydaje się podobna do fuzji termojądrowej, która od pół wieku za pół wieku ma rozwiązać nasze problemy energetyczne.