Új Szó, 2003. május (56. évfolyam, 100-124. szám)

2003-05-26 / 119. szám, hétfő

ÚJ SZÓ 2003. MÁJUS 26. Mindentudás egyeteme 13 Misztikusnak tűnő fogalmak - hasznos alkalmazások. Ami közös a mobiltelefon SIM-kártyájában, a digitális kamerában, az autó ABS-ében és a szupergyors lebegő vonatban Mire jó a kvantumfizika? A napjainkban is zajló infor­mációs forradalom tudomá­nyos alapját a kvantumfizika jelenti. Ennek jelentőségét bi­zonyára senki nem becsüli alá, aki valaha is ráklikkelt a Mindentudás Egyeteme hon­lapjára - mondta Mihály György fizikus, aki nem keve­sebbre vállalkozott, mint hogy megismerteti a közönsé­get a kvantummechanika Maxwelltől, Einsteintől, Hei- senbergtől, Diractól örökölt alapjaival, és látványos kísér­letek segítségével még a teó­ria legjelentősebb mindenna­pi alkalmazásaira is rámutat. MIHÁLY GYÖRGY ELŐADÁSA A fény terjedésének módja a fizika alapkérdései közé tartozik. Számos megfigyelés utal arra, hogy a fény ugyanúgy terjed, mint a vízhullá­mok, amelyek találkozásukkor he­lyenként nagyobbra nőnek, más he­lyeken pedig kioltják egymást. Az el­térő úton érkező hullámok ou erősí­tik egymást, ahol az általuk megtett út különbsége a hullámhossz egész számú többszöröse, míg kioltás ott jön létre, ahol hullámhegy hullám­völggyel találkozik. Ez a jelenség az interferencia. A FÉNY MINT HULLÁM ÉS RÉSZECSKE Ilyen erősítések és kioltások a fény esetében is fellépnek. A fényhullá­mok interferenciája jól szemléltet­hető egy olyan kísérletben, amikor a fénysugár egy ernyőre kétféle út­vonalon is eljuthat; például egy ki­takaró lapon vágott egyik vagy má­sik résen keresztül. Ha csak az A MINDENTUDÁS EGYETEME Ez a részecske-hullám dualitás nem csupán a fény tulajdonsága: a kísérletet elektronokkal elvégezve ugyanezt az eredményt kapjuk, pe­dig az elektront sokan szeretik ré­szecskének elképzelni. Az egy lép­tékkel nagyobb méretű objektu­mok - a neutronok és a protonok - ugyanígy interferálnak. Sőt, né­hány évvel ezelőtt a 60 db széna­tomból felépülő fullerénmolekulá- nál, ennél a molekuláris focilabdá­nál is sikeresen kimutatták az in­terferenciát. A kvantummechanika egyenletei ebben a kettős helyzetben való­színűségi függvényekkel dolgoz­nak, s ha nem is adják meg előre a következő becsapódás helyét, meg­mondják, hogy az ernyő mely pontján mekkora lesz a becsapó­dás valószínűsége. A kvantumfizi­kában felvetődő más problémákra is valószínűségi választ kapunk, s ha a kérdés jól van feltéve, a válasz valószínűségi megfogalmazása nem jelenti azt, hogy a tudásunk bizonytalan. AZ ATOMI SZINTŰ MANIPULÁCIÓ A valószínűségi tárgyalásmód olyan jelenségek megértését is lehetővé te­lószínűséggel megtalálható a fém bármely pontján, sőt ez a való­színűség nem tűnik el ugrásszerűen a fém szélén, hanem folyamatosan esik nullára. A fémen kívüli előfor­dulás valószínűsége persze igen gyorsan, exponenciálisan csökken: ahogy távolodunk egyre kisebb, de azért mégsem egzaktul nulla. Az elektronhullámoknak ez a „kilógá­sa” lehetővé teszi, hogy két fém kö­zött áram folyjék, mielőtt még tény­legesen összeérnének. Ez is alagú­teffektus. A kvantummechanikai alagútjelen­ség adja az elvi alapját napjaink leg­pontosabb mikroszkópiái eljárásá­nak. Az ún. pásztázó alagútmik- roszkóp egy nagyon egyszerű be­rendezés, amivel atomi szinten le­het felületeket feltérképezni. Az eszköz kulcseleme egy precíz, há­rom-dimenziós mozgatásokra al­kalmas piezoelektromos henger, s a végére rögzített hegyes tű. A tűből alagútáram folyik át a minta felüle­tére, s mivel ez az áram nagyon ér­zékenyen változik a távolsággal, mérésével igen pontosan meg lehet határozni a tű távolságát a minta fe­lületétől. A tű mozgatásával atomi pontossággal letapogathatjuk a felü­letet szerkezetét. Ha például megnézzük egy frissen törött rézdarab felületét, atomi szin­ten látjuk a törésfelületet, sőt az elektronsűrűség hullámzását is. Ez a felvétel elég meggyőző ahhoz, hogy az elektronokat hullámoknak, és ne a fémben szaladgáló golyóknak te­kintsük. A pásztázó alagútmikroszkóppal akár egyes atomok is megtalálhatók, sőt, a tű leeresztésével akár odébb is tolhatok. Ezzel a módszerrel egy fe­lületen atomi struktúrákat, például ún. atomi korallokat lehet kialakíta­ni. A korallon belül látványos elekt­ron-állóhullámok alakulnak ki. rés van nyitva, az ernyőn egy egy­szerű fényfoltot látunk, a rés irá­nyának megfelelő helyen. Ha csak a B rést nyitjuk ki, a folt egy kicsit odébb kerül, de nem történik lé­nyeges változás. Amikor azonban mindkét rés nyitva van, azaz a fény kétféle úton juthat el az ernyőre, az útkülönbségtől függően világos és sötét tartományok jelennek meg. A fény olyan részeket is meg­világít, amelyek alig látszottak, amikor akár az A, akár a B rést használtuk egyedül, s sötét csíkok jelennek meg a korábbi fényfoltok tartományán belül. Az interferencia csíkjait rögzíteni lehet egy fotópapíron, vagy közvet­lenül rávetíthetjük egy digitális ka­mera CCD detektorára. Nagy meg­lepetés éri azonban a fotóst, ha az expozíciós időt változtatva alapo­san megnézi, hogyan alakul ki ez a fénykép. A kivilágosodás ugyanis nem folyamatos lesz, hanem az ernyő különböző részein véletle­nül felvillanó képpontokból épül fel. Úgy tűnik, hogy a fény mégsem hullám, hiszen akkor a hullám­front egyszerre érné el a detektor teljes felületét, s a kép mindenütt fokozatosan erősödne. Ehelyett a fénysugár részecskék sorozatának látszik, s ahova sok részecske csa­pódik be, ott lesz fényes a felvétel. A CCD kamerával felvett interfe- rencia-kép puszta létezése azt jelzi, hogy a „hullám vagy részecske?” kérdést nem lehet megválaszolni, egyszerűen azért, mert a kérdés rossz. Csak egyféle választ adha­tunk rá: a fény „részecske és hul­lám”. szí, amire a klasszikus fizika képte­len. Képzeljünk el egy klasszikus go­lyót, amely nekimegy egy vékony, de áttörhetetlen falnak. Atjutására semmi esély. Kivéve.,a kvantumme­chanikában. A falhoz érkező ré­szecske, nagyon kis valószínűséggel, de megtalálható lesz a fal túloldalán is, vagyis az esetek csekély számá­ban a részecske megjelenhet a falon túl, anélkül, hogy a falat akár meg- mászta, akár áttörte volna. Az alagútjelenség segítségével az elektronok viselkedése makroszko­pikus méretű tárgyakban is tanul­mányozható - például fémekben, félvezetőkben, vagy akár szuprave­zetőkben. Egy fémben az elektron kvantum- mechanikai hullámállapota azt je­lenti, hogy az elektron egyforma va­MERRE PÖRÖG AZ ELEKTRON? A kvantumfizika és a relativitásel­mélet elveinek összekapcsolására Paul Dirac tett először sikeres kí­sérletet: egyenletéből automatiku­san következett, hogy az elektron rendelkezik egy további kvantum- mechanikai jellemzővel, a spinnel. Az elektronok a spinjük szerint jobbra, illetve balra pörögnek, s eszerint mágneses térben külön­bözően is viselkednek. Erre az egyenlet felállításakor már kísérle­ti bizonyíték is volt. A Dirac-egyen- let ugyanakkor negatív mozgási energiákra is érvényesnek látszik. Ebből jósolta meg Dirac az elekt­ron antirészecskéjének létezését, az elektronnal azonos tömegű, de ellentétes töltésű „anti-elektron” létét. Négy évvel később fel is fe­dezték a pozitront. A PÉT ÉS AZ MR TOMOGRÁF A pozitron és az elektron egymás antirészecskéi, ha találkoznak, megsemmisülnek és elektromág­neses sugárzássá alakulnak. A fo­lyamatban két foton sugárzódik ki, pontosan ellentétes irányban. Ezek a fotonok is „fényrészecskék”, de frekvenciájuk nem a látható tarto­mánynak felel meg; a sugárzás Röntgen-tartományába esik. A pozitron emissziós tomográfia (PÉT) olyan diagnosztikai eljárás, amely során a vizsgált személy szervezetébe ártalmatlan, gyorsan bomló izotópot juttatnak (C-ll, O­MIHÁLY GYÖRGY fizikus Szakterülete a szilárd testek elektromos és mágneses jelenségeinek kísérleti tanulmányozása. A BME-n egy Magyarországon egyedülálló, a nemzetközi kutatások élvonalába tartozó laboratóriumot hozott létre. Tehetséges hallgatóiból alkotott kutatócsoportjával különleges szerkezetű fémeket, félvezetőket, illetve szupravezetőket vizsgál. A kísérleteket az abszolút nulla fokot megközelítő alacsony hőmérsékleteken és extrém nagy mágneses terekben végzik. Az utóbbi években vizsgált jelenségek közé tartozik az anyagi tu­lajdonságok módosítása nagy nyomások alkalmazásával: ilyen például egy szigetelő anyag fémmé vagy szupravezetővé való átalakulása több tízezer atmoszféra nyomás hatására. A laboratórium új kutatási irá­nya a nanoszerkezetek kvantumos jelenségeinek tanulmányozása (pl. egyetlen fématom elektromos veze­tésének megmérése, vagy az elektronszerkezet meghatározása a kvantummechanikai alagúteffektus se­gítségével). 15, N-13 vagy F-18), amely 10-20 perc alatt egy pozitron kibocsátá-. sával lebomlik azon a helyen, aho­va a keringési rendszer eljuttatta. Ezt a helyet nagy pontossággal meg lehet határozni, hiszen a po­zitron a közvetlen környezetében mindenképpen találkozik egy elektronnal, s gamma-fotonok ki­bocsátásával megsemmisülnek. A PET-berendezésben az egymással pontosan ellentétes irányban hala­dó fotonok becsapódását detektál­ják a páciens körül körben elhelye­zett detektorokkal. A becsapódási pontokat összekötő egyenesek metszéspontjai kijelölik a pozitron és az elektron találkozásának he­lyét. A méréssel fel lehet térképez­ni például az emberi agy működé­sének elégtelenségeit, ami a PÉT legelterjedtebb diagnosztikai al­kalmazása. A elektronokhoz hasonlóan az ato­mok magjainak is van spinjük. Mágneses térben a különböző spin-irányú magállapotok más­más energiával rendelkeznek. Az energiakülönbségeknek megfelelő elektromágneses hullámokkal e spin-állapotok között átmenet hoz­ható létre, s az ezeknek megfelelő rezonancia segítségével azonosít­hatók az atommagok. Erre épül a mágneses rezonancia (MR) to- mográf berendezés, a daganatos betegségek diagnosztizálásának és gyógyításának egyik leghatáso­sabb eszköze. Az MR segítségével a kóros szövettartományok helye pontosan meghatározható, ehhez „csupán” nagy mágneses térre, megfelelő rádiófrekvenciás elekt­romágneses hullámokra, azok na­gyon pontos detektálásfa, illetve mindezek után igen összetett szá­mítógépes feldolgozásra van szük­ség. A vizsgálat igazán mélyreha­tó: a sejteket alkotó molekulákon belül egyes atomokat azonosít, mégpedig az atommagok alapján. SZUPRAVEZETÉS - ÁRAM VESZTESÉG NÉLKÜL? Az MR tomográfiához olyan, na­gyon nagy - több tízezer Gauss - tér­erősségű mágnesek szükségesek, amelyek mágneses tere precízen be­állítható és évekig változadan ma­rad. Ezt a szinte lehetetlennek tűnő követelményt automatikusan teljesí­tik a szupravezető mágnesek: ha egy szupravezető tekercsben áramot ho­zunk létre, akkor ez az áram, vala­mint az általa keltett mágneses tér az idők végezetéig (több százezer évig) mérhető csökkenés nélkül fog keringeni. Az ilyen szupravezető mágnesek legnagyobb alkalmazója a gyógyszeripar, ahol az MR-t újon­nan szintetizált molekulák azonosí­tására használják. A szupravezetés tipikus kvantum-je­lenség. Alacsony hőmérsékleten a szupravezető állapotú fémben a kristályrács közvetítésével az elekt­ronok egy része párokba ren­deződik, ezek a párok azonos, ala­csony energiájú kvantumállapotba kerülhetnek, s így már ellenállás nélkül haladhatnak végig a kristály­ban. Az elnevezés tehát a zéró elekt­romos ellenállásból ered. Friss tudományos fejlesztés, hogy szupravezetőket alkalmaznak pél­dául a vonatok mágneses lebegteté­sére vonatkozó japán kísérletekben. Az ilyen elven működő szerelvények akár 400 km/h utazósebességgel te­hetnék meg a Tokiót Oszakától elvá­lasztó távolságot. MINDENNAPI KVANTUMESZKÖZEINK A kvantum-elven alapuló digitális felhasználások ma már megtalálha­tók a gépkocsik futóművének és mo­torjának vezérlésétől (ABS, VTEC) a banki hitelkártyákig szinte min­denütt. Ilyeneket alkalmaznak a lé­zeres anyagmegmunkálás során, optikai távközlésben, a napelemek­ben, a tévéképernyő fényemissziós rétegében éppúgy, mint a tomográ- fokban használt szupravezető mág­neseknél. A kvantumfizikát a mai fiatalok is „használják”: például mobiltelefon képében. A szétbontott mobilban felismerjük a mikroprocesszort tar­talmazó chipet: a műveleteket a szi­lícium-technológiával kialakított elektromos térszerkezetben terjedő elektronhullámok végzik. Egy má­sik kvantum-elven működik a tele­fon adattárolója, a SIM-kártya, amely tisztán elektronikus memó­ria (flash memory). Az adatok töl­tésként tárolódnak, nincs mozgó al­katrész, az adattároló kivehető - nem igényel tápfeszültséget. A me­móriában a bitek beírása alagútef- fektussal történik - ami persze kvantummechanika. A mobiltelefonon küldött üzenetek az átjátszóállomásig GHz tartomá­nyú rádióhullámokon, majd telefon- vonalon, műholdon, optikai kábele­ken jut el címzetthez. Az útvonal a beszélgetés alatt állandóan változik a hálózat terhelésétől függően. Bár­hol is halad azonban az üzenet, min­denütt kvantumfizikai egyenletek alapján tervezett félvezető eszközök továbbítják: GHz-es elektronikai elemek, félvezető lézerek, optikai erősítők. Bor Zsolt a Mindentudás Egyetemén tartott előadásában ki­válóan mutatta be a lézerek széles­körű alkalmazását. A mobiltelefo­nos példánkban a félvezető lézerek akkor jutnak szerephez, amikor az üzenet éppen optikai szálakon ter­jed. Az újabb mobiltelefon-készülé­keket már CCD kamerával is felsze­relik, hogy a már jól ismert fénye­lektromos jelenség segítségével ké­peket készíthessünk. A kép egy flash memóriában kerül rögzítésre (alagúteffektus). És a történet foly­tatható. A kép fogadója - ha akarja - számítógépébe viszi (fötoeffektust alkalmazó infravörös porton keresz­tül), s egy CD-íróval (ismét félvezető lézer) lemezre úja, vagy a winches­teren tárolja (spin-szelep). Ez mind kvantumfizika. A kvantumfizika újabb és újabb te­rületeket hódít meg - a banki infor­mációs hálózatoktól a tudományos kutatások eszközparkjáig. A mikroe­lektronikát fokozatosan felváltja a nanoelektronika. Létezik olyan me­mória, ahol a tárolás egységei az egyes atomok, működnek olyan tranzisztorok, ahol a vezérlést egyetlen elektron végzi. A jövő mu­tatja meg, hogy meddig lehet eljut­ni; a tudósokat foglalkoztató kvan­tum-számítógép mindenesetre messze felülmúlná a ma létező szá­mítógépek teljesítményét. Készítette az M&H Communica­tions szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.

Next

/
  • Elrendezés
  • Igazítás
  • Forgatás
Oldalképek
Tartalom