Στον πραγματικό κόσμο της καθημερινότητας όταν ασχολούμαστε με μπάλες του μπιλιάρδου ή πλανήτες, η πραγματοποίηση μιας μέτρησης δεν έχει αποτέλεσμα στο αντικείμενο που μετράμε. Μπορούμε να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις για τις μελλοντικές θέσεις των αντικειμένων στηριζόμενοι στις τωρινές τους θέσεις και ταχύτητες. Έτσι αν βρίσκεστε σε ένα λεωφορείο στις 10μ.μ και ταξιδεύετε με σταθερή ταχύτητα 50χλμ. την ώρα ξέρετε ότι θα φτάσετε στο εμπορικό κέντρο που βρίσκεται σε απόσταση 5χλμ. στις 10.06μ.μ.

Στον κβαντικό κόσμο τα πράγματα που χρειάζεστε για να κάνετε μια μέτρηση όπως π.χ. το φως βρίσκεται σε πακέτα τα οποία είναι τουλάχιστον τόσο μεγάλα όσο το μετρούμενο αντικείμενο και έτσι καθώς προσκρούουν επάνω του το μετατοπίζουν σε νέα θέση περιορίζοντας την ακρίβεια στη γνώση της θέσης του.

Ο Γερμανός φυσικός Werner Heisenberg (1901-1976) παρουσίασε την περίφημη αρχή της αβεβαιότητας
η οποία λέει ότι στο επίπεδο του μικρόκοσμου δεν μπορούμε ποτέ να γνωρίζουμε συγχρόνως και με ακρίβεια, που βρίσκεται και τι ταχύτητα έχει ένα σωμάτιο.Το καλλίτερο που μπορούμε να πετύχουμε είναι να δώσουμε κάποιες πιθανότητες για το που μπορεί να βρεθεί μετά από λίγο. Παρομοιάζοντας με το παραπάνω παράδειγμα του λεωφορείου θα λέγαμε ότι υπάρχει μια πιθανότητα να φτάσει το λεωφορείο στις 10,06μ.μ. στο εμπορικό κέντρο αλλά υπάρχει και μια πιθανότητα να φτάσει στο παγοδρόμιο.

Ο ΔΥΙΣΜΟΣ ΣΩΜΑΤΙΟΥ-ΚΥΜΑΤΟΣ
Τον 19ο αιώνα, ο Thomas Young (1773-1829) ανακάλυψε ότι αν περάσει φως μέσα από δυο παράλληλες στενές σχισμές που βρίσκονται πολύ κοντά, και πέσει πάνω σε μια οθόνη από την άλλη πλευρά των σχισμών, το φως σχηματίζει πάνω στην οθόνη κροσσούς συμβολής που αποτελούνται από διαδοχικές φωτεινές και σκοτεινές γραμμές. Ο σχηματισμός αυτός είναι όμοιος μ’ αυτόν που παρατηρούμε όταν υδάτινα κύματα περάσουν μέσα από δυο στενά ανοίγματα. Η ομοιότητα αυτή θεωρήθηκε ισχυρή ένδειξη ότι το φως είναι κύμα. Εκ των υστέρων αποδείχτηκε ότι τα ηλεκτρόνια κάνουν ακριβώς το ίδιο πράγμα.

Αν ρυθμίσουμε τις συνθήκες του πειράματος ώστε από τη συσκευή μας να περνάει μόνο ένα ηλεκτρόνιο κάθε φορά, παρατηρούμε κάτι παράξενο. Το κάθε ηλεκτρόνιο ξεχωριστά αφήνει ένα σημάδι στην οθόνη αλλά ο σχηματισμός που δημιουργείται καθώς ολοένα νέα ηλεκτρόνια καταφθάνουν στην οθόνη είναι ο ίδιος σχηματισμός όπως των κυμάτων. Μοιάζει σαν ένα απλό ηλεκτρόνιο καθώς κινείται να συμπεριφέρεται ως κύμα και να διέρχεται και από τις δύο σχισμές συγχρόνως. Όταν όμως ανιχνεύεται στην οθόνη συμπεριφέρεται ως σωμάτιο και αφήνει ένα μόνο σημάδι.

ΣΩΜΑΤΙΑ ΠΟΥ ΚΑΝΟΥΝ ΑΛΜΑΤΑ
Ο Δανός φυσικός Niels Bohr (1885-1962) ανακάλυψε ότι τα ηλεκτρόνια στα άτομα μπορούν να βρίσκονται μόνο σε τροχιές καθορισμένων ακτίνων γύρω από τον πυρήνα αλλά όχι σε οποιεσδήποτε ενδιάμεσες αποστάσεις. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπηδήσουν σε άλλη υψηλότερη τροχιά μόνο αν πάρουν ενέργεια από κάποιον εξωτερικό παράγοντα ακριβώς όπως χρειάζεται να καταναλώσετε ενέργεια για να ανεβείτε από το ισόγειο στον πρώτο όροφο της κατοικίας σας.
Ο Bohr χρησιμοποίησε την έκφραση κβαντικό άλμα για να περιγράψει αυτή την αλλαγή στην ενέργεια του ηλεκτρονίου.

Όλη αυτή η συζήτηση για ηλεκτρόνια σε τροχιές θυμίζει τις τροχιές των πλανητών γύρω από τον ήλιο, και γι’ αυτό βλέπετε συχνά να απεικονίζουν το άτομο σαν ένα μικροσκοπικό πλανητικό σύστημα με τον πυρήνα στη θέση του Ήλιου. Αλλά ενώ αυτή η εικόνα μπορεί μερικές φορές να φαίνεται χρήσιμη σε θεμελιώδη θεώρηση είναι λανθασμένη διότι, θυμηθείτε, ότι τα ηλεκτρόνια είναι επίσης κύματα. Υπάρχουν ως κύματα σε μια περιοχή του χώρου κοντά στον πυρήνα.

Τα καλλίτερα μυαλά στο χώρο της φυσικής αγωνίζονται εδώ και 70 χρόνια να βρούν άκρη με το πρόβλημα του δυισμού σωματίου και κύματος. Αναγκάστηκαν να συμπεράνουν ότι δεν υπάρχει κάποια λογική εξήγηση με την καθημερινή γλώσσα που χρησιμοποιούμε όταν συζητάμε για μπάλες του μπιλιάρδου ή για κύματα σε μια λίμνη. Ένα ηλεκτρόνιο ή ένα φωτόνιο είναι ένα τελείως διαφορετικό είδος ύπαρξης το οποίο άλλοτε μοιάζει με σωμάτιο και άλλοτε με κύμα.

Ο ΚΒΑΝΤΙΚΟΣ ΚΟΣΜΟΣ ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ
Το 1955, επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής στο Λονδίνο, βρήκαν ότι ήταν δυνατόν να χρησιμοποιήσουν τις ταλαντώσεις του ατόμου του ραδιοϊσοτόπου Καίσιο-133 για να φτιάξουν ένα ρολόι που μετρούσε το χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια απ’ ότι η περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της. Κάθε ταλάντωση προέρχεται από ένα άλμα του ηλεκτρονίου από μια ανώτερη στάθμη ενέργειας σε μια κατώτερη και είναι τόσο σταθερή ώστε ένα σύγχρονο ατομικό ρολόι θα χάνει ή θα κερδίζει λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο σε 3 εκατομμύρια χρόνια!

Η σύγχρονη μικροηλεκτρονική βιομηχανία εκμεταλλεύεται τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στους ημιαγωγούς για να δημιουργήσει τον κόσμο υψηλής τεχνολογίας που βασίζεται στα μικρο-chips. Καθώς οι αυξανόμενες απαιτήσεις της σύγχρονης ζωής θέλουν ολοένα και πιο γρήγορους υπολογιστές και ηλεκτρονικές συσκευές, οι κατασκευαστές αγωνίζονται να σχεδιάσουν όλο και πιο μικοσκοπικά chips. Πολύ σύντομα θα φτάσουμε στα φυσικά όρια του κλασσικού σχεδιασμού των chips που είναι η διάσταση του ατόμου, και θα χρειαστεί να δαμάσουμε τις παράξενες ιδιότητες της κβαντομηχανικής.

Ο "κβαντικός υπολογιστής" δεν είναι ακόμη πραγματικότητα αλλά είναι ένα από τα πιο καυτά θέματα στην σύγχρονη φυσική, υποσχόμενος την επεξεργασία των πληροφοριών με την ταχύτητα του φωτός. Δεν μπορούμε να προβλέψουμε ακριβώς πότε θα γίνει πραγματικότητα αυτή η ριζοσπαστική ιδέα, ακριβώς όπως δεν μπορούμε να προβλέψουμε και το μέλλον μας. Το να προβλέψεις κάτι από πριν, έχει διάφορα προβλήματα όπως θα δούμε και στο μάθημα 5.