Τώρα η Κβαντομηχανική μας έλειπε | Γράφει ο καθηγητής Παναγιώτης Πετρίδης

Η σύγχρονη φυσική, και ειδικότερα η Κβαντομηχανική, δεν αποτελεί πλέον αφηρημένη θεωρία μόνο για κάποιους ακαδημαϊκούς. Αντιπροσωπεύει το θεμέλιο για την κατανόηση και την ανάπτυξη τεχνολογιών που διαμορφώνουν την καθημερινότητά μας. «Μόλις ξυπνήσω το πρωί, τα βλέπω όλα μαύρα» τραγουδούσε ο Παπάζογλου, αλλά μόλις ανοίξω τα μάτια μου, θα κοιτάξω το έξυπνο κινητό μου να δω την ώρα. Αυτό θα έχει συγχρονίσει το προηγούμενο δευτερόλεπτο την ένδειξή του μέσω διαδικτύου (Network Time Protocol), λαμβάνοντας την ακριβή ώρα από ένα ατομικό ρολόι (Καισίου ή Στροντίου) που βασίζει τη λειτουργία του σε Κβαντικές διεργασίες. Όλη αυτή η διαδρομή «ατομικό ρολόι – διαδίκτυο – έξυπνο κινητό» υπάρχει αποκλειστικά εξαιτίας της Κβαντομηχανικής.  Στο μάθημα της Φυσικής της τρίτης Λυκείου, η ενότητα της σύγχρονης Φυσικής (Σχετικότητα, Κβαντομηχανική, Ατομική και Πυρηνική Φυσική) με το νέο πρόγραμμα σπουδών αναβαθμίζεται, αφού καλύπτει σχεδόν τη μισή ύλη 62 ώρες από τις 132. Η διδασκαλία της Κβαντομηχανικής στο Λύκειο μπορεί όχι μόνο να προσφέρει γνώσεις για τις θεμελιώδεις αρχές του σύμπαντος, ή να απαντήσει σε οντολογικά ερωτήματα για την ύπαρξή μας, αλλά κύρια και εφόσον εμείς οι εκπαιδευτικοί αναγνωρίσουμε τη σημασία της για το κοινωνικό σύνολο, έχει τη δυνατότητα να εμπνεύσει τη νέα γενιά, δείχνοντας πως οι σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις μπορούν να πραγματοποιηθούν από πολύ μικρές ηλικίες.

Η διερευνητική μάθηση σαν καταλύτης στην κατανόηση της Κβαντομηχανικής.

Η διερευνητική μάθηση ενθαρρύνει τους μαθητές να θέτουν ερωτήματα, να αναζητούν απαντήσεις μέσω πειραμάτων και να αναπτύσσουν κριτική σκέψη. Μέσω αυτής της μεθοδολογίας, οι μαθητές μπορούν να κατανοούν τα θεμελιώδη φαινόμενα για παράδειγμα να ανακαλύπτουν τις αρχές που διέπουν την Κβαντική συμπεριφορά των σωματιδίων. Οι μαθητές αναπτύσσουν δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων, δηλαδή μετατρέπουν την θεωρητική γνώση σε πρακτικές λύσεις μέσω πειραματισμού. Για παράδειγμα οι μαθητές καταλαβαίνουν για ποιο λόγο πειραματικοί επιστήμονες του προηγούμενου αιώνα σχεδίασαν τη διάταξη του φωτοκυττάρου για τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Τέλος η διερευνητική μάθηση της Κβαντομηχανικής ενισχύει την καινοτομία. Ο πειραματισμός οδηγεί σε νέες ιδέες και εφαρμογές, απαραίτητες σε έναν συνεχώς εξελισσόμενο τεχνολογικό κόσμο. Στην παραπάνω εικόνα δείχνονται μαθητές Λυκείου να μελετούν το Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στο εργαστήριο Φυσικών επιστημών του 23^ου ΓΕΛ Θεσσαλονίκης.

Η στήριξη των εκπαιδευτικών στη διδασκαλία της Κβαντομηχανικής.

Η μάθηση τριών διαστάσεων (3D learning) προσφέρει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που ενσωματώνει οπτικά, ακουστικά και πρακτικά στοιχεία στη διδασκαλία. Για τους εκπαιδευτικούς αυτό σημαίνει την ευκολότερη απεικόνιση πολύπλοκων εννοιών. Τα διαδραστικά μοντέλα διευκολύνουν την κατανόηση αφηρημένων φαινομένων της Κβαντομηχανικής. Τα πολυμεσικά εργαλεία επιτρέπουν τη δημιουργία εξατομικευμένων μαθησιακών προγραμμάτων με αποτέλεσμα την προσαρμοσμένη διδασκαλία σε κάθε μαθητή. Τα έργα σε τρισδιάστατο περιβάλλον ενθαρρύνουν τη συνεργασία και την ανταλλαγή ιδεών μεταξύ των μαθητών, με αποτέλεσμα τον πολυπόθητη ενίσχυση της συνεργατικότητας.

Βασικοί λόγοι για τη διδασκαλία της Κβαντομηχανικής στο Λύκειο.

Κατανόηση της Σύγχρονης Τεχνολογίας: Η Κβαντομηχανική αποτελεί τη βάση για πολλές σύγχρονες τεχνολογίες, όπως οι μικροηλεκτρονικές συσκευές, οι υπολογιστές και οι επικοινωνιακές τεχνολογίες. Το τρανζίστορ βασίζει τη λειτουργία του στις ενεργειακές ζώνες (ζώνη σθένους και ζώνη αγωγιμότητας) που έχουν ένα μικρό ενεργειακό «κενό» μεταξύ τους. Η Κβαντομηχανική μπορεί να εξηγήσει το γιατί υπάρχουν αυτές οι ζώνες, όπως και το πως τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπηδούν από τη μία ζώνη στην άλλη. Στα σύγχρονα τρανζίστορ των 5nm που υπάρχουν στους επεξεργαστές εμφανίζονται καθαρά Κβαντικά φαινόμενα, όπως το φαινόμενο σήραγγας.

Ανάπτυξη Κριτικής και Δημιουργικής Σκέψης: Η μελέτη των αντιφατικών και συχνά παράδοξων φαινομένων στην Κβαντική φυσική ενισχύει τις δεξιότητες ανάλυσης και επίλυσης προβλημάτων. Ένα σωματίδιο μπορεί να υπάρχει ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις (υπέρθεση), μπορεί να επηρεάζεται άμεσα εξ΄ αποστάσεως χωρίς κλασική αλληλεπίδραση (διεμπλοκή), ενώ δεν μας επιτρέπει να γνωρίζουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ορμή του (απροσδιοριστία Heisenberg).

Προετοιμασία για το Μέλλον: Καθώς ο κόσμος κινείται προς μια ψηφιακή και τεχνολογικά προηγμένη εποχή με την τεχνητή νοημοσύνη και τους Κβαντικούς υπολογιστές στα σπάργανα, η γνώση της σύγχρονης φυσικής προετοιμάζει τους μαθητές μας για μελλοντικές επαγγελματικές προκλήσεις και καινοτόμες ιδέες.

Παθιασμένη Έμπνευση ή η Δύναμη της Νεότητας. Μια ιδιαίτερα ενθαρρυντική πτυχή της ιστορίας της Κβαντομηχανικής είναι το γεγονός ότι οι πρωτεργάτες της, όπως Μπορ, Χάιζενμπεργκ, Μπορν, Ντιράκ και ο Αϊνστάιν (έστω και αν είναι περισσότερο γνωστός για τη σχετικότητα), ανέπτυξαν τις βασικές αρχές της σε πολύ νεαρή ηλικία. Στην εικόνα δείχνονται στην πρώτη σειρά μεταξύ των άλλων οι Μαξ Πλάνκ, Μαρία Κιουρί, Χέντρικ Λόρεντζ, Άλμπερτ Αϊνστάιν, στη μεσαία σειρά, οι Πωλ Ντιράκ, Άρθουρ Κόμπτον, Λουί Ντε Μπρολί, Μαξ Μπορν, Νιλς Μπορ και όρθιοι οι Έρβιν Σρέντιγκερ, Βόλφγκανγκ Πάουλι και Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Αυτά τα παραδείγματα δείχνουν στους εφήβους ότι η έγκαιρη ενασχόληση με την επιστήμη μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές επαγγελματικές επιτυχίες και πρωτοποριακές ιδέες. Η διδασκαλία της Κβαντομηχανικής, με έμφαση στη νεότητα και τη δυναμική σκέψη, μπορεί να εμπνεύσει τους μαθητές να πιστέψουν στον εαυτό τους και να επιδιώξουν υψηλές επιστημονικές και τεχνολογικές καριέρες.

Το δύσκολο όμως είναι να πείσουμε τους μαθητές να παρακολουθήσουν το μάθημα. Για να εμπνεύσουμε τους μαθητές μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα εικονικό πειραματικό περιβάλλον, δηλαδή να χρησιμοποιήσουμε διαδραστικά πειράματα και προσομοιώσεις που κάνουν τα αφηρημένα φαινόμενα ορατά και κατανοητά.

Μπορούμε να συνδέσουμε τη θεωρία με την πράξη. Δηλαδή να εξηγήσουμε πώς οι αρχές της Κβαντομηχανικής εφαρμόζονται σε καθημερινές τεχνολογίες, όπως τα Smartphones, οι οθόνες LED και οι συσκευές επικοινωνίας και το γρήγορο ίντερνετ.

Μπορούμε να ενθαρρύνουμε τους μαθητές να αναρωτηθούν για το «πώς» και το «γιατί», δείχνοντάς τους ότι η επιστήμη δεν είναι απλώς μια σειρά κανόνων αλλά ένας τρόπος να ανακαλύπτουμε τον κόσμο γύρω μας.

Τέλος όπως αναφέρει ο Jacques Barzun “Η απλή αλλά δύσκολη τέχνη της εστίασης της προσοχής σε ένα θέμα, της προσεκτικής παρατήρησης ενός συλλογισμού, της ανακάλυψης μιας ασάφειας ή μιας λανθασμένης εξαγωγής συμπεράσματος, του ελέγχου των υποθέσεων μέσω της συγκέντρωσης αντιπαραδειγμάτων, της οργάνωσης του χρόνου και της σκέψης με σκοπό τη μελέτη ενός ζητήματος – όλες αυτές οι τέχνες δεν διδάσκονται «στον αέρα», αλλά μέσα από τις δυσκολίες ενός συγκεκριμένου θέματος”.

Εφαρμογές στην Καθημερινή Ζωή

Α) Μέλαν Σώμα. Η μελέτη της πανταχού παρούσας ακτινοβολίας του μέλανος σώματος οδήγησε τον Μαξ Πλανκ στο να διατυπώσει την έννοια των Κβάντων ενέργειας. Αυτή η ανακάλυψη έθεσε τα θεμέλια για την Κβαντική θεωρία και επέτρεψε μεταξύ άλλων την ανάπτυξη συστημάτων θερμικής απεικόνισης και ενεργειακά αποδοτικών πηγών φωτός. Όταν οι μαθητές στην εποχή του κορονοϊού μετρούσαν τη θερμοκρασία του σώματός τους σε αεροδρόμια, λιμάνια ή εμπορικά κέντρα με θερμόμετρα εξ’ αποστάσεως ή όταν αγοράζουν σήμερα λαμπτήρες (led, smart, φθορίου, αλογόνου κλπ) το βασικό χαρακτηριστικό των οποίων είναι η θερμοκρασία χρώματος που αφορά το πόσο ψυχρό ή θερμό είναι ένα σώμα, όλα αυτά έχουν άμεση σχέση με την Κβαντομηχανική και συγκεκριμένα με την ακτινοβολία του μέλανος σώματος.

Β) Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο. Η μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, για την οποία βραβεύτηκε με Νόμπελ ο Αϊνστάιν, εξηγεί πώς το φως απελευθερώνει ηλεκτρόνια από τις μεταλλικές επιφάνειες. Αυτή η κατανόηση είναι θεμελιώδης για την ανάπτυξη φωτοβολταϊκών κυττάρων, που χρησιμοποιούνται σε ηλιακά πάνελ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Γ) Αρχή αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ. Η αρχή αυτή αναδεικνύει τους περιορισμούς στην ταυτόχρονη μέτρηση της θέσης και της ταχύτητας των σωματιδίων και έχει εφαρμογές σε τεχνολογίες υψηλής ακρίβειας, όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία, που επιτρέπει την ανάλυση δομών σε νανοκλίμακα. Η αρχή της αβεβαιότητας μπορεί να εξηγήσει τη θερμοπυρηνική σύντηξη απαντώντας στην ερώτηση που βρίσκει ο Ήλιος την ενέργεια που μας στέλνει.

Δ) Αρχή κυματοσωματιδιακού δυισμού του Ντε Μπρολί. Η ιδέα ότι τα σωματίδια μπορούν να παρουσιάζουν και κυματική συμπεριφορά ενώ τα κύματα μπορούν να παρουσιάζουν και σωματιδιακή συμπεριφορά, είναι κρίσιμη για την ανάπτυξη συσκευών με δέσμες λέιζερ, που χρησιμοποιούνται σε ευρύ φάσμα εφαρμογών από την ιατρική έως τις επικοινωνίες (οπτική ίνα).

Η Σχέση των Μεγάλων Πειραμάτων του CERN με την Κβαντομηχανική

Τα πειράματα που διεξάγονται στο CERN, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) ή τα ALICE, CMS και LHCb, αντιπροσωπεύουν κορυφαίες προσπάθειες της σύγχρονης επιστήμης για την αποκάλυψη των θεμελιωδών δομών της ύλης. Παρά το τεράστιο κόστος και την τεχνική πολυπλοκότητα τους, όλα αυτά τα πειράματα που στηρίζονται στις αρχές της Κβαντομηχανικής και της σχετικής θεωρίας των πεδίων, δημιουργούν τεχνολογίες άμεσα διαθέσιμες στην καθημερινότητά μας.

Κβαντική Θεωρία και Προβλέψεις. Οι θεωρητικές βάσεις που εδράζονται στην Κβαντομηχανική έχουν καθορίσει τις προβλέψεις για τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων. Το πείραμα για την ανακάλυψη του Μποζονίου του Χιγκς, για παράδειγμα, επιβεβαίωσε προβλέψεις της Κβαντικής θεωρίας, δίνοντας τη δυνατότητα για την επιβεβαίωση και περαιτέρω επέκταση του μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής (καθιερωμένο πρότυπο).

Κβαντική Χρονική Ανάλυση. Τα γεγονότα που λαμβάνουν χώρα στα επίπεδα της μικροσκοπικής κλίμακας απαιτούν ακριβή ανάλυση των καταστάσεων και της αβεβαιότητας που διέπει τις μεταβάσεις μεταξύ τους. Αυτές οι διαδικασίες είναι αναπόσπαστο κομμάτι της Κβαντομηχανικής και κρίσιμες για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των πειραμάτων στο CERN.

Τεχνολογικές Εφαρμογές. Η εφαρμογή των Κβαντικών αρχών έχει οδηγήσει σε επαναστατικές τεχνολογικές εξελίξεις, όπως είναι τα προηγμένα συστήματα ανίχνευσης και οι αλγόριθμοι επεξεργασίας δεδομένων που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των συγκρούσεων στα επιταχυντικά πειράματα (Big Data). Ενδεικτικά μπορούν να αναφερθούν η ανακάλυψη του διαδικτύου, τομογραφία ποζιτρονίων, δημιουργία δικτύου GRID Computing κ.α. Αυτές οι τεχνολογίες όχι μόνο βοηθούν στην επιστημονική ανακάλυψη αλλά προωθούν και την ανάπτυξη

εφαρμογών σε άλλους τομείς της τεχνολογίας.

Συμπεράσματα

Η επιτυχία των μεγάλων πειραμάτων του CERN εξαρτάται άμεσα από την κατανόηση και εφαρμογή των αρχών της Κβαντομηχανικής. Οι επενδύσεις αυτές, παρά το τεράστιο κόστος τους, αποδίδουν επιστημονικές γνώσεις που επεκτείνουν τα όρια της ανθρώπινης κατανόησης και οδηγούν σε τεχνολογικές καινοτομίες. Σε αυτό το πλαίσιο, γίνεται σαφές πως η Κβαντομηχανική δεν είναι απλώς ένα θεωρητικό εργαλείο, αλλά το θεμέλιο πάνω στο οποίο στηρίζονται οι πιο σύγχρονες και σημαντικές εξελίξεις στη φυσική επιστήμη. Η ενσωμάτωση της Κβαντομηχανικής στο σχολικό πρόγραμμα δεν αποτελεί απλώς μια αναβάθμιση της διδακτικής μεθοδολογίας, αλλά μια αναγκαία προσαρμογή στον 21ο αιώνα. Μέσω της διερευνητικής μάθησης, της τρισδιάστατης προσέγγισης και της έμπνευσης από τα παραδείγματα των μεγάλων επιστημόνων που ξεκίνησαν τη συνεισφορά τους από νεαρή ηλικία, οι εκπαιδευτικοί μπορούν να ενισχύσουν το ενδιαφέρον και την επιμονή των μαθητών. Αυτό όχι μόνο προάγει την κριτική σκέψη και την καινοτομία, αλλά δείχνει και στους νέους ότι οι δυνατότητες τους είναι απεριόριστες και ότι η δική τους επαγγελματική σταδιοδρομία μπορεί να ξεκινήσει νωρίς, οδηγώντας σε πρωτοποριακές εξελίξεις.

Στις 7 Ιουλίου 2024 τα Ηνωμένα Έθνη ανακήρυξαν το 2025 ως Διεθνές έτος Κβαντικής επιστήμης και τεχνολογίας.

Παναγιώτης Πετρίδης

Φυσικός Εσπερινό ΕΠΑΛ Κω