Planka konstante.  Deviņpadsmitā gadsimta nogalē Eiropas zinātnes namos valdīja dīvains, gandrīz pašapmierināts klusums. Fizika, šķita, bija sasniegusi savu virsotni.

Planka konstante ir būtisks jēdziens kvantu fizikā.

Īzaka Ņūtona mehānika kā pulksteņa mehānisms izskaidroja planētu kustību, bet Džeimsa Klarka Maksvela elektrodinamika eleganti aprakstīja gaismu un magnētismu.

Zinātnieki ticēja, ka pasaule ir sakārtota, nepārtraukta un pilnībā prognozējama. Bija palikuši tikai daži “sīki mākoņi” pie skaidrajām zinātnes debesīm vai pāris neatrisinātu eksperimentu, kas neiekļāvās kopējā bildē.

Kvants, melnā ķermeņa starojuma problēma.

Viens no šiem mākoņiem bija tā sauktā “melnā ķermeņa starojuma problēma”. Neviens nespēja izskaidrot, kāpēc sakarsēti priekšmeti izstaro gaismu tieši tādā veidā, kā tie to dara.

Klasiskā fizika spītīgi apgalvoja ko šausminošu: jebkuram karstas krāsns caurumam būtu jāizstaro bezgalīgs daudzums enerģijas ultravioletajā spektrā. Šī teorētiskā katastrofa, ko vēlāk nosauca par “ultravioleto katastrofu”, kliedza pēc risinājuma.

Tajā brīdī uz skatuves uznāca vīrs ar dziļām acīm un stingrām manierēm, Makss Planks. Viņš nebija dumpinieks pēc dabas; viņš mīlēja kārtību un klasiskās termodinamikas likumus.

Tomēr tieši viņam bija lemts uzšķilt dzirksteli, kas aizdedzināja visu klasiskās fizikas ēku.

Kvants vai izmisuma solis un skaitlis h.

1900. gada nogalē, sēžot savā kabinetā Berlīnē, Planks cīnījās ar matemātiskajām formulām. Viņš mēģināja saprast, kāpēc enerģija sadalās tieši tā, kā rāda eksperimenti, nevis tā, kā to paredz teorija. Viņš izmēģināja visu, līdz nonāca pie secinājuma, ko pats vēlāk nosauca par “izmisuma soli”.

Planks pieļāva domu, ka enerģija netiek izstarota kā plūstoša, nepārtraukta upe. Tā vietā viņš iedomājās, ka enerģija nāk mazās, diskrētās “pakās” vai “porcijās”. Viņš tās nosauca par kvantiem (no latīņu valodas quantum- daudz).

Lai aprakstītu šo porciju lielumu, viņam bija nepieciešams jauns skaitlis vai dabas konstante, kas sasaistītu starojuma enerģiju ar tā frekvenci. Tā dzima formula, kas mainīja vēsturi:

E=hν

Šeit E ir enerģija, ν ir frekvence, bet h ir tas, ko mēs šodien pazīstam kā Planka konstanti. Tā ir neticami maza, aptuveni 6,626×10−34 džoulsundes (J·s). Šis skaitlis ir tik niecīgs, ka mūsu ikdienas pasaulē tas nav pamanāms, taču atomu un subatomāro daļiņu līmenī tas ir visas realitātes enkurs.

No “graudainas” gaismas līdz jaunai pasaulei.

Planka atklājums nebija tikai matemātisks triks. Tas nozīmēja, ka daba savā dziļākajā būtībā ir “graudaina”. Iedomājieties, ka jūs skatāties uz digitālu fotogrāfiju. No tālienes tā šķiet gluda un plūstoša, bet, pietuvinot, jūs redzat pikseļus. Planka konstante h ir šīs realitātes pikseļa izmērs.

Sākumā pat pats Planks neticēja tam, ko bija atklājis. Viņš domāja, ka tā ir tikai matemātiska dīvainība. Taču drīz vien cits jauns zinātnieks, vārdā Alberts Einšteins, paņēma šo ideju un spēra nākamo soli.

Viņš pierādīja, ka pati gaisma sastāv no šādām daļiņām, fotoniem. Pēkšņi viss saderēja kopā: foto efekts, atomu stabilitāte un ķīmisko saišu daba.

Planka konstante kļuva par atslēgu, kas atslēdza durvis uz kvantu mehāniku. Tā parādīja, ka mēs nevaram zināt visu par visu vienlaicīgi (Heizenberga nenoteiktības princips) un ka matērijai piemīt gan viļņa, gan daļiņas daba. Pasaule vairs nebija vienkāršs pulksteņa mehānisms; tā bija iespējamību un kvantu lēcienu deja.

Kvantu tehnoloģiju mantojums.

Šodien, vairāk nekā gadsimtu vēlāk, Planka konstante nav tikai vēsturisks ieraksts mācību grāmatās. Tā ir mūsu modernās civilizācijas dzinējspēks. Bez izpratnes par h un kvantu dabu mēs dzīvotu pasaulē, kurā nav:

• Tranzistoru: Katrs viedtālrunis un dators balstās uz pusvadītāju fiziku, ko nosaka kvantu likumi.
• Lāzeru: No svītrkodu skeneriem veikalos līdz sarežģītām acu operācijām — lāzers ir tīrs kvantu fenomens.
• MRI un diagnostikas: Medicīnas tehnoloģijas izmanto kodolu magnētisko rezonansi, kas tieši sasaistīta ar enerģijas kvantēšanu.
• GPS sistēmu: Atompulksteņi satelītos, kas mēra laiku ar neticamu precizitāti, strādā, pateicoties atomu enerģijas līmeņu izmaiņām, ko apraksta Planka formula.

Kvants un tā ietekme uz tehnoloģiju.

Skatiens nākotnē, otrā kvantu revolūcija.

Mēs pašlaik atrodamies uz sliekšņa tam, ko sauc par otro kvantu revolūciju. Ja pirmā revolūcija mums iemācīja saprast kvantu dabu, lai radītu ierīces, tad otrā mums māca šo dabu vadīt.

Kvantu datori sola atrisināt problēmas, kas klasiskajiem superdatoriem prasītu tūkstošiem gadu, piemēram, jaunu zāļu izstrādi, globālās loģistikas optimizāciju un jaunus materiālus.

Kvantu kriptogrāfija varētu padarīt komunikāciju neuzlaužamu, jo jebkurš mēģinājums “novērot” informāciju izmainīs tās kvantu stāvokli, nekavējoties brīdinot sūtītāju.

Tas viss sākās ar vienu nelielu skaitli- h.

Cilvēka prāta triumfs.

Maksa Planka stāsts ir atgādinājums par to, cik svarīga ir intelektuālā godīgums. Kad eksperimentālie dati nesakrita ar viņa mīļoto teoriju, viņš nevis tos noraidīja, bet gan uzdrīkstējās apšaubīt visu, ko pasaule līdz tam zināja.

Planka konstante ir simbols tam, ka realitāte bieži vien ir daudz dīvaināka un brīnišķīgāka, nekā mēs spējam iedomāties. Tā ir robežšķirtne starp makropasauli, kurā mēs jūtamies droši, un mikropasauli, kurā valda kvantu brīnumi.

Šis mazais skaitlis h ir tilts, kas savieno cilvēka prātu ar Visuma visdziļākajiem noslēpumiem, atgādinot mums, ka katra gaismas dzirkstele nes stāstu par bezgalību, kas sadalīta mazos, saprotamos soļos.

Zinātne un tehnoloģijas turpinās attīstīties, un varbūt kādu dienu mēs atklāsim vēl dziļākus slāņus zem kvantu līmeņa.

Taču Planka vārds un viņa konstante vienmēr paliks kā pirmais rītausmas stars, kas izgaismoja ceļu uz jaunu ēru. Ēru, kurā mēs vairs neesam tikai dabas novērotāji, bet gan tās smalkāko mehānismu meistari.

Labu Dienu!