Κβάντο

Γενικά στη φυσική, ο όρος κβάντο ή κβάντουμ αναφέρεται σε μια αδιάστατη μονάδα ποσότητας, ένα «ποσό από κάτι». Είναι δηλαδή η μικρότερη δυνατή μονάδα της έννοιας στην οποία αναφέρεται και όλες οι ποσότητες αυτής της έννοιας είναι πάντα ακέραια πολλαπλάσια αυτής της μονάδας. Δεν μπορούν να υπάρξουν δεκαδικές ποσότητες. Για παράδειγμα ένα κβάντο φωτός είναι μία μονάδα φωτός (ή αλλιώς φωτόνιο) και οι αναφορές σε κβάντα φωτός γίνονται πάντα με ακέραιους αριθμούς.

Ετυμολογία

Η λέξη κβάντο προέρχεται από το λατινικό quantum, που σημαίνει «πόσο». Έτσι ο όρος αυτός απαντάται με τρεις έννοιες:

1. ως μία ποσότητα (γενικά),

2. ως μια μονάδα φωτός, και

3. ως ελάχιστη ποσότητα στην οποία εκκρίνεται ένας νευροδιαβιβαστής, ειδικότερα.

Ιστορικό

Ένα εξ ολοκλήρου νέο εννοιολογικό πλαίσιο αναπτύχθηκε γύρω από την έννοια «κβάντο», κατά τη διάρκεια του πρώτου μισού του 20ού αιώνα. Πρόκειται για το εννοιολογικό πλαίσιο της Κβαντικής Μηχανικής. Η κβαντική μηχανική θεωρείται πιο θεμελιώδης από την κλασική μηχανική, καθώς εξηγεί φαινόμενα που η κλασική μηχανική και η κλασική ηλεκτροδυναμική αδυνατούν να περιγράψουν.

Κεντρική σημασία στη θεωρία της κβαντικής μηχανικής κατέχει η έννοια της κβάντωσης: ένα φυσικό μέγεθος είναι δυνατόν να είναι «κβαντωμένο», πράγμα που σημαίνει ότι το μέγεθος αυτό δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, αλλά μόνο συγκεκριμένες τιμές. Για παράδειγμα, η κίνηση ενός ηλεκτρονίου σε κάποιο άτομο πραγματοποιείται μόνο σε συγκεκριμένες ενεργειακές τροχιές.

Η έννοια του κβάντου είναι συνυφασμένη με το γεγονός ότι ποσότητες που χαρακτηρίζουν ιδιότητες ενός φυσικού συστήματος (δηλ. φυσικά μεγέθη π.χ. ενέργεια, στροφορμή) μπορούν να παίρνουν διακριτές τιμές και όχι συνεχείς τιμές. Δηλαδή αντίθετα με αυτό που προβλέπει η κλασσική θεωρία, λέμε ότι ένα φυσικό μέγεθος έχει διακριτό φάσμα ιδιοτιμών αντί συνεχές φάσμα ιδιοτιμών. Σημειώνεται ότι δεν είναι όλα τα φυσικά μεγέθη ενός συστήματος που έχουν διακριτό φάσμα ιδιοτιμών, δηλ. είναι κβαντωμένα, υπάρχουν και μεγέθη που όπως και στην κλασσική μηχανική έχουν συνεχές φάσμα. Έτσι παρόλο που η λέξη κβάντο επινοήθηκε αρχικά για να περιγράψει τα «πακέτα» ενέργειας που λέγονται φωτόνια και από τα οποία αποτελείται το φως, τελικά ολόκληρη η θεωρία πήρε αυτό το όνομα, κβαντομηχανική. Αυτό δείχνει το πόσο ριζοσπαστική φαινόταν τότε η ιδέα ότι υπάρχουν φυσικά μεγέθη που παίρνουν μερικές μόνο τιμές από τις άπειρες διαθέσιμες.

Ο πρώτος που ισχυρίστηκε ότι ένα φυσικό μέγεθος είναι κβαντωμένο ήταν ο Νιλς Μπορ. Ο Δανός φυσικός ισχυρίστηκε ad hoc στο ατομικό του μοντέλο ότι το περιφερόμενο γύρω από τον πυρήνα ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να «καταλάβει» μόνο κάποιες «επιτρεπόμενες τροχιές», στις οποίες η στροφορμή θα έπαιρνε κάποιες συγκεκριμένες τιμές, θα ήταν δηλαδή κβαντισμένη. Αυτή ήταν μια εξαιρετική επίδειξη ευφυίας και διαίσθησης καθώς αυτός ο ισχυρισμός περιφρονούσε βασικά αξιώματα του όλου οικοδομήματος της φυσικής, όπως αυτό κληρονομήθηκε από τον Νεύτωνα. Με βάση αυτό το μοντέλο κατόρθωσε να εξηγήσει θεωρητικά το τότε γνωστό φάσμα του υδρογόνου, κάτι ακατόρθωτο μέχρι τότε.

Η δεύτερη σημαντικότερη «χρήση» της ιδέας μιας κβαντισμένης φυσικής ποσότητας, ήταν η εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου από τον γερμανοεβραϊκής καταγωγής φυσικό Άλμπερτ Άινσταϊν, πράγμα που του απέφερε και το βραβείο νόμπελ. Ο Άινσταϊν εξήγησε αυτό το φαινόμενο θεωρώντας πως το φως δεν είναι μια συνεχής ροή ενέργειας, αλλά ένα σύνολο από κβάντα ή "πακέτα" συγκεκριμένης ενέργειας, τα φωτόνια.