Mara nyingi ukiona jambo rahisi kueleweka lakini likaelezwa kwa kona kona nyingi wishowe likawa halieweki, kaa ukijua jambo hilo ni UONGO mtupu.Duu nimetoka kapa kabisa
Moja kati ya vitu vigumu nilivyowahi kusoma ni "wave mechanics and quantum theory"...
Nakumbuka course fulani inaitwa organic spectroscopy and wave mechanics, hii course tulishikwa all most three-quoter ya darasa zima...
Nikianza kukumbuka masuala ya schrödinger eqn, hamiltonion operator, azimuthal & colatitude, behaviour of particles in an atom, hua napata kichefu chefu....
Kuna Dr pale chem department anaitwa schrödinger, daaah staki kukumbuka
Asante sana kwa shule. Ila bado sijaelewa msingi wa experiment ya Schrodinger's Cat, haswa kwa paka na maisha halisi ukiacha katika quantum mechanicsPaka huyu hayuko hai wala hajafa kabla hatujafungua sanduku alilofungiwa ndani yake pamoja na bomu lenye uwezekano wa asilimia hamsini za kulipuka na hamsini za kutolipuka (50/50 chances). Kwa nini na hali gani? twende pamoja.
wadau, katika mabandiko yaliyopita nimewahi kuchangia kwa kuongelea majidude yenye maumbo makubwa sana katika Ulimwengu (Universe) lakini leo tujadili kwa kuangalia upande wa pili, nikiwa na maana vitu vidogo sana vilivyo katika universe kwa lugha ya sayansi "quantum particles".
Katika hali ya kawaida mambo yote yanaenda kwa kufuata kanuni za kifizikia kama kanuni za mvutano (Gravity), na kadhalika. Hizi zinajulikana kama classical mechanics. Mfano binti anayecheza mdako (mchezo wa watoto kurusha kitu juu, kufanya tukio haraka alafu kukidaka tena) ana uhakika kipira anachorusha juu kitarudi chini hivyo baada ya tukio fulani la haraka, anaandaa kiganja chake kukidaka. Akikirusha kwa nguvu zaidi basi kitaenda juu zaidi lakini ana uhakika kitarudi chini na mchezo wake wa mdako unakuwa na uhakika kipira kwa vyovyote kitarudi. Bila shaka ameshuhudia matukio ya aina hii kwa mara nyingi zisizohesabika na sasa kwake ni ukweli usio na shaka.
Lakini tunapokuja kwenye "quantum level", tabia ya vile vitu vidogo sana katika ulimwengu havifuati kanuni hizi tuzijuazo au zilizopo. Mambo huku ni tofauti kwa kiwango kikubwa kabisa na kanuni zile za kawaida(classical mechanics) huku zinasambaratika na hivyo kanuni nyingine zinashika hatamu na kwa hizi, tabia ya "particles" zinaweza kuelezeka. Kanuni hizi zinajulikana kama quantum mechanics.
Kabla ya kwenda mbali labda nitumie istilahi (metaphor)mbalimbali katika kuelezea nini hasa au udogo gani wa chembe hizi tunaouongelea. Maada katika ulimwengu unaundwa na vidude vidogo sana (viitwavyo atoms) ambavyo kwa ujumla wake ndivyo msingi wa Yabisi, Vimiminika na Hewa. Kila kitu chenye "mass" kilicho na uhai na kisicho na uhai kimeundwa kwa atoms. Hii kila mtu inawezekana anajua lakini sio wengi wanajua atoms ni ndogo au kubwa kiasi gani licha ya kuona mchoro wake ambao kwa kawaida haujachorwa kwa kuzingatia uwiano wa vipimo halisi (scale), nitaelezea.
Kwa kuwa atoms zinaunda kila kitu tunaweza kuchukua mfano wa tunda la chungwa katika kujenga picha ya ukubwa wa atom katika fikra zetu . Chungwa linaundwa na atoms nyingi sana katika kila kitu kilichomo ndani yake. Inathibitiswa kwamba part kubwa ya chugwa ni maji (74%) basi tunaweza kusema zile elements zinazofanya maji (H[SUP]2[/SUP]O) zimechukua nafasi kubwa. Tuangalie atom moja ya haidrojeni inaweza kuwa na ukubwa gani kwa kulinganisha na size ya chungwa. Chungwa likikuzwa size yake lilingane na puto lenye upana uwanja wa mpira bado atoms zake haitaonekana hata kwa microscope. Chungwa hili likikuzwa zaidi na upana wake uwe sawa na puto lenye upana unaojaa eneo la mikoa ya Singida, Dodoma na Tabora bado atoms zake zisingeweza kuonekana hata kwa microscope. Japokuwa chungwa hili likikuzwa kuwa kama size ya Dunia (6,371 km radius) basi atoms zake zitakuwa sawa na tunda la zabibu. Kwa hiyo atoms ni ndogo kiasi ambacho macho na microscope za kawaida haziwezi kuona.
Cha ajabu atoms pia zinaweza kuvunjwa na kukutwa na vitu vingine vidogo zaidi vinavyoiunda. Atom zinaundwa na vijidude vingine vidogo zaidi vya aina tatu vinaitwa electrons, netrons and protons. Hii pia inajulikana vizuri tu lakini si wengi wanajua particle hizi ziundazo atoms zina ukubwa gani hasa. Kwa mfano wetu ule wa kukuza utafaa hapa pia. Electrons kama tujuavyo ni chaji hasi (negative) za umeme zinazunguka eneo hili la atom(quantum spin) na kilichopo kati nucleus inayoundwa na protons (chaji chanya) pamoja na neutrons.
Uwiano wa ukubwa wa atom na neutron yake katikati ni tofauti na wengi wanavyofikiri. Atom ya hydrogen ikikuzwa ilingane na puto lenye upana wa kilomita 8, basi neutron itakuwa sawa na mpira wa golf. Eneo zima linalobaki ni wazi (empty space) ingawa electrons zinazungukia humo.
Tukirudi kwa paka wa Schrodringer, hii ni metaphor inayotumika kuelezea tabia zile za kushangaza za particles katika quantum scale. Electrons zinaizunguka (orbiting) neutron kama vile dunia inavyolizunguka Jua. Mfano electron katika atom ya hydrogen inazunguka lakini hatuwezikujua iko wapi hasa katika mzunguko wake kwa hiyo eneo zima la orbit yake electron hii ipo na haipo mpaka pale tutakapopima kuhakiki. Hapa ndipo yule paka wa Schrödinger anapotumika kuelezea hali hii hebu ichukulie ile electron kwenye orbit yake kama experiment ya paka kwenye boksi lililofungwa. Paka huyu hayuko hai wala hajafa kabla hatujafungua sanduku alilofungiwa ndani yake pamoja na bomu lenye uwezekano wa asilimia hamsini za kulipuka na hamsini za kutolipuka.
Sasa tukienda mbele kidogo katika hali hii tunakutana na kitu kinachoitwa Quantum entanglement .Hapa Schrodinger katika experiment nyingine anagundua phenomenon nyingine ya ajabu katika quantum mechanics. Katika jaribio la aina hii ya pili, yule paka wa Schrodinger sasa anaongezwa mwingine wanakuwa wako wawili kila mmoja kwenye sanduku lake. Procedure ya kwanza ikirudiwa tena kwa paka hawa wawili katika mazingira ya kawaida (classical mechanics)basi uwezekano wa matokeo ni wa aina nne pale masanduku mawili yatakapofunguliwa
- Paka wa kwanza na wa pili wote wako hai (mabomu yote mawili hayakulipuka)
- Paka wa kwanza na wa pili wote wamekufa (mabomu yote mawili yamelipuka)
- Paka wa kwanza yuko hai na wa pili kafa (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
- Paka wa kwanza kafa na wa pili yuko hai (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
Hiyo ndio hali ya kawaida (classical mechanics) lakini kwenye quantum scale uwezekano ni wa aina mbili tu:
- Paka wa kwanza yuko hai na wa pili kafa (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
- Paka wa kwanza kafa na wa pili yuko hai (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
Lakini cha ajabu zaidi ni tabia hii ya particles katika entangled state. Hii ni kwamba katika quantum scale paka hawa wawili katika entangled state ndani ya masanduku yao kila moja na bomu lenye uwezekano wa 50% kulipuka na 50% kutolipuka wakiwekwa kona moja ya dunia na mwingine kona nyingine siku zote matokeo yatakuwa yale yale pale masanduku yanapofunguliwa. Paka mmoja atakuwa hai na mwingine atakuwa kafa. Lakini kujua yupi atakuwa kafa na yupi hajafa ni mpaka masanduku yafunguliwe na kuangaliwa.
Electrons katika atoms tofauti zikiwa entangled, moja itazunguka kwenda clockwise na nyingine anti-clock wise. Hali itakuwa hivi hivi hata atoms hizi zikitenganishwa kwa kuwekwa umbali wowote katika ulimwengu huu, mfano gatika galaxies tofauti. Hii sio theoretical view bali imethibitishwa katika majaribio ya kwenye kwenye labolatories nyingi na ni ukweli usio na shaka.
Njia mbalimbali zinafanyiwa uchunguzi katika kuzifanya electrons ziwe entangled, mojawapo ni kutumia superconductors (material ambazo zinapitisha umeme asilimia mia au karibu na mia) hii inazifanya electrons mbili(pair) zinasane/ungane lakini kukiwa na uwezekano wa kuzitenganisha kwa umbali wowote huku tabia zake zikibaki kufanana kwa 100%.
Eneo hili la sayansi ndilo litakalotupeleka katika next level technology; labda tutashuhudia quantum teleportation hapo baadae,(kitu kimoja kuwepo maeneo tofauti kwa wakati mmoja).
Kubwa na lenye kusubiriwa sana ni quantum computers (hii iko njiani experiment zimesogea kutoka 3% efficiency kwenda 24% by now.) Umuhimu wa quantum computer ni katika ulinzi wa uhakika wa siri za watumiaji hasa katika cryptography. Kwa sasa mifumo ya computer ndiyo inayoshikilia mambo mengi muhimu kabisa kwa usalama wa dunia ikiwamo mifumo ya fedha etc. Nguvu kubwa inaelekezwa katika tafiti hizi kwa kuwa usalama huu uliopo ni wa muda mfupi tu kabla hackers hawajaiangusha dunia.
Karibu uchangie mawazo yako na uulize maswali juu ya hili.
Hao paka wa Scrodinger nimewasoma nakuwasoma nimerudia labda huyu jamaa Scrodinger alikua jambazi katega paka na bomu kawapelekea fbi kama mtego wapi nimetoka kapa naona paka tu anazunguka zunguka na AtomsPaka huyu hayuko hai wala hajafa kabla hatujafungua sanduku alilofungiwa ndani yake pamoja na bomu lenye uwezekano wa asilimia hamsini za kulipuka na hamsini za kutolipuka (50/50 chances). Kwa nini na hali gani? twende pamoja.
wadau, katika mabandiko yaliyopita nimewahi kuchangia kwa kuongelea majidude yenye maumbo makubwa sana katika Ulimwengu (Universe) lakini leo tujadili kwa kuangalia upande wa pili, nikiwa na maana vitu vidogo sana vilivyo katika universe kwa lugha ya sayansi "quantum particles".
Katika hali ya kawaida mambo yote yanaenda kwa kufuata kanuni za kifizikia kama kanuni za mvutano (Gravity), na kadhalika. Hizi zinajulikana kama classical mechanics. Mfano binti anayecheza mdako (mchezo wa watoto kurusha kitu juu, kufanya tukio haraka alafu kukidaka tena) ana uhakika kipira anachorusha juu kitarudi chini hivyo baada ya tukio fulani la haraka, anaandaa kiganja chake kukidaka. Akikirusha kwa nguvu zaidi basi kitaenda juu zaidi lakini ana uhakika kitarudi chini na mchezo wake wa mdako unakuwa na uhakika kipira kwa vyovyote kitarudi. Bila shaka ameshuhudia matukio ya aina hii kwa mara nyingi zisizohesabika na sasa kwake ni ukweli usio na shaka.
Lakini tunapokuja kwenye "quantum level", tabia ya vile vitu vidogo sana katika ulimwengu havifuati kanuni hizi tuzijuazo au zilizopo. Mambo huku ni tofauti kwa kiwango kikubwa kabisa na kanuni zile za kawaida(classical mechanics) huku zinasambaratika na hivyo kanuni nyingine zinashika hatamu na kwa hizi, tabia ya "particles" zinaweza kuelezeka. Kanuni hizi zinajulikana kama quantum mechanics.
Kabla ya kwenda mbali labda nitumie istilahi (metaphor)mbalimbali katika kuelezea nini hasa au udogo gani wa chembe hizi tunaouongelea. Maada katika ulimwengu unaundwa na vidude vidogo sana (viitwavyo atoms) ambavyo kwa ujumla wake ndivyo msingi wa Yabisi, Vimiminika na Hewa. Kila kitu chenye "mass" kilicho na uhai na kisicho na uhai kimeundwa kwa atoms. Hii kila mtu inawezekana anajua lakini sio wengi wanajua atoms ni ndogo au kubwa kiasi gani licha ya kuona mchoro wake ambao kwa kawaida haujachorwa kwa kuzingatia uwiano wa vipimo halisi (scale), nitaelezea.
Kwa kuwa atoms zinaunda kila kitu tunaweza kuchukua mfano wa tunda la chungwa katika kujenga picha ya ukubwa wa atom katika fikra zetu . Chungwa linaundwa na atoms nyingi sana katika kila kitu kilichomo ndani yake. Inathibitiswa kwamba part kubwa ya chugwa ni maji (74%) basi tunaweza kusema zile elements zinazofanya maji (H[SUP]2[/SUP]O) zimechukua nafasi kubwa. Tuangalie atom moja ya haidrojeni inaweza kuwa na ukubwa gani kwa kulinganisha na size ya chungwa. Chungwa likikuzwa size yake lilingane na puto lenye upana uwanja wa mpira bado atoms zake haitaonekana hata kwa microscope. Chungwa hili likikuzwa zaidi na upana wake uwe sawa na puto lenye upana unaojaa eneo la mikoa ya Singida, Dodoma na Tabora bado atoms zake zisingeweza kuonekana hata kwa microscope. Japokuwa chungwa hili likikuzwa kuwa kama size ya Dunia (6,371 km radius) basi atoms zake zitakuwa sawa na tunda la zabibu. Kwa hiyo atoms ni ndogo kiasi ambacho macho na microscope za kawaida haziwezi kuona.
Cha ajabu atoms pia zinaweza kuvunjwa na kukutwa na vitu vingine vidogo zaidi vinavyoiunda. Atom zinaundwa na vijidude vingine vidogo zaidi vya aina tatu vinaitwa electrons, netrons and protons. Hii pia inajulikana vizuri tu lakini si wengi wanajua particle hizi ziundazo atoms zina ukubwa gani hasa. Kwa mfano wetu ule wa kukuza utafaa hapa pia. Electrons kama tujuavyo ni chaji hasi (negative) za umeme zinazunguka eneo hili la atom(quantum spin) na kilichopo kati nucleus inayoundwa na protons (chaji chanya) pamoja na neutrons.
Uwiano wa ukubwa wa atom na neutron yake katikati ni tofauti na wengi wanavyofikiri. Atom ya hydrogen ikikuzwa ilingane na puto lenye upana wa kilomita 8, basi neutron itakuwa sawa na mpira wa golf. Eneo zima linalobaki ni wazi (empty space) ingawa electrons zinazungukia humo.
Tukirudi kwa paka wa Schrodringer, hii ni metaphor inayotumika kuelezea tabia zile za kushangaza za particles katika quantum scale. Electrons zinaizunguka (orbiting) neutron kama vile dunia inavyolizunguka Jua. Mfano electron katika atom ya hydrogen inazunguka lakini hatuwezikujua iko wapi hasa katika mzunguko wake kwa hiyo eneo zima la orbit yake electron hii ipo na haipo mpaka pale tutakapopima kuhakiki. Hapa ndipo yule paka wa Schrödinger anapotumika kuelezea hali hii hebu ichukulie ile electron kwenye orbit yake kama experiment ya paka kwenye boksi lililofungwa. Paka huyu hayuko hai wala hajafa kabla hatujafungua sanduku alilofungiwa ndani yake pamoja na bomu lenye uwezekano wa asilimia hamsini za kulipuka na hamsini za kutolipuka.
Sasa tukienda mbele kidogo katika hali hii tunakutana na kitu kinachoitwa Quantum entanglement .Hapa Schrodinger katika experiment nyingine anagundua phenomenon nyingine ya ajabu katika quantum mechanics. Katika jaribio la aina hii ya pili, yule paka wa Schrodinger sasa anaongezwa mwingine wanakuwa wako wawili kila mmoja kwenye sanduku lake. Procedure ya kwanza ikirudiwa tena kwa paka hawa wawili katika mazingira ya kawaida (classical mechanics)basi uwezekano wa matokeo ni wa aina nne pale masanduku mawili yatakapofunguliwa
- Paka wa kwanza na wa pili wote wako hai (mabomu yote mawili hayakulipuka)
- Paka wa kwanza na wa pili wote wamekufa (mabomu yote mawili yamelipuka)
- Paka wa kwanza yuko hai na wa pili kafa (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
- Paka wa kwanza kafa na wa pili yuko hai (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
Hiyo ndio hali ya kawaida (classical mechanics) lakini kwenye quantum scale uwezekano ni wa aina mbili tu:
- Paka wa kwanza yuko hai na wa pili kafa (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
- Paka wa kwanza kafa na wa pili yuko hai (bomu moja limelipuka lingine halikulipuka)
Lakini cha ajabu zaidi ni tabia hii ya particles katika entangled state. Hii ni kwamba katika quantum scale paka hawa wawili katika entangled state ndani ya masanduku yao kila moja na bomu lenye uwezekano wa 50% kulipuka na 50% kutolipuka wakiwekwa kona moja ya dunia na mwingine kona nyingine siku zote matokeo yatakuwa yale yale pale masanduku yanapofunguliwa. Paka mmoja atakuwa hai na mwingine atakuwa kafa. Lakini kujua yupi atakuwa kafa na yupi hajafa ni mpaka masanduku yafunguliwe na kuangaliwa.
Electrons katika atoms tofauti zikiwa entangled, moja itazunguka kwenda clockwise na nyingine anti-clock wise. Hali itakuwa hivi hivi hata atoms hizi zikitenganishwa kwa kuwekwa umbali wowote katika ulimwengu huu, mfano gatika galaxies tofauti. Hii sio theoretical view bali imethibitishwa katika majaribio ya kwenye kwenye labolatories nyingi na ni ukweli usio na shaka.
Njia mbalimbali zinafanyiwa uchunguzi katika kuzifanya electrons ziwe entangled, mojawapo ni kutumia superconductors (material ambazo zinapitisha umeme asilimia mia au karibu na mia) hii inazifanya electrons mbili(pair) zinasane/ungane lakini kukiwa na uwezekano wa kuzitenganisha kwa umbali wowote huku tabia zake zikibaki kufanana kwa 100%.
Eneo hili la sayansi ndilo litakalotupeleka katika next level technology; labda tutashuhudia quantum teleportation hapo baadae,(kitu kimoja kuwepo maeneo tofauti kwa wakati mmoja).
Kubwa na lenye kusubiriwa sana ni quantum computers (hii iko njiani experiment zimesogea kutoka 3% efficiency kwenda 24% by now.) Umuhimu wa quantum computer ni katika ulinzi wa uhakika wa siri za watumiaji hasa katika cryptography. Kwa sasa mifumo ya computer ndiyo inayoshikilia mambo mengi muhimu kabisa kwa usalama wa dunia ikiwamo mifumo ya fedha etc. Nguvu kubwa inaelekezwa katika tafiti hizi kwa kuwa usalama huu uliopo ni wa muda mfupi tu kabla hackers hawajaiangusha dunia.
Karibu uchangie mawazo yako na uulize maswali juu ya hili.
Kama mtu hajaelewa nikilazaDuu nimetoka kapa kabisa
Sawa geniusKama mtu hajaelewa nikilaza
Kama uli skip classes za General chemistry au modern physics huwezi kuelewa kitu mkuuDah... Nimesoma nimerudia zaidi ya mara 10 sijaelewa...
WhyAre atoms immortal?
If the answer is yes then we have to change the way we define the living matter !