Καθώς το 2025 είναι το Διεθνές Έτος Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, ας μιλήσουμε για την ενέργεια και τον τρόπο που την αντιλαμβανόμαστε στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής.

Tι είναι η ενέργεια;

Η ενέργεια αποτελεί μια θεμελιώδη έννοια στον κόσμο μας. Αν και δεν έχει δοθεί ξεκάθαρος ορισμός για την ενέργεια, μπορούμε να πούμε ότι είναι η ικανότητα ενός σώματος να παράγει έργο ή να προκαλεί μεταβολές στο περιβάλλον του. Η ενέργεια είναι ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει οτιδήποτε γύρω μας!

Την ενέργεια τη συναντάμε σε πολλές μορφές, όπως:

  1. Κινητική: ενέργεια αυτής της μορφής έχει ένα σώμα λόγω της κίνησής του.
  2. Δυναμική: με αυτήν τη μορφή αποθηκεύεται ενέργεια σε ένα σύστημα σωμάτων, όταν μεταξύ τους ασκούνται δυνάμεις από κάποιο πεδίο, όπως π.χ. η βαρυτική ή η ηλεκτρική, ή όταν ασκούνται δυνάμεις λόγω ελαστικής παραμόρφωσης, όπως π.χ. η δύναμη ενός ελατηρίου.
  3. Θερμική: σχετίζεται με την κίνηση των μορίων και των ατόμων ενός σώματος, η οποία έχει άμεση σχέση με τη θερμοκρασία του.
  4. Χημική: είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς και μπορεί να απελευθερωθεί όταν οι δεσμοί αυτοί σπάσουν κατά την διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, όπως π.χ. η καύση ενός υλικού.
  5. Ηλεκτρική: είναι η ενέργεια που μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια σε ένα κύκλωμα που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
  6. Πυρηνική: είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων, όπως η σχάση ή η σύντηξη πυρήνων ή από ραδιενεργούς πυρήνες.

Ενέργεια και κβάντωση

Η καθημερινή εμπειρία μάς υπαγορεύει ότι η ενέργεια, στις μορφές που τη συναντάμε στην καθημερινότητά μας, μπορεί να μετρηθεί με συνεχή τρόπο. Θεωρούμε δηλαδή ότι, για παράδειγμα, ένας μετρητής της ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να μετρήσει την ενέργεια που καταναλώνουμε στο σπίτι μας, με ακρίβεια όσων δεκαδικών ψηφίων θα επιλέγαμε. Αυτή η αντίληψη, ότι η ενέργεια μπορεί να μετρηθεί, να καταναλωθεί, να μεταφερθεί, να μετασχηματιστεί από μια μορφή σε μια άλλη με συνεχή τρόπο, κυριαρχούσε για πολλά χρόνια. Όμως στις αρχές του 20ού αιώνα συνέβη μια κοσμοϊστορική αλλαγή στην αντίληψή μας σχετικά με την ενέργεια. Ο Γερμανός φυσικός Max Planck, πρότεινε (σε μια κίνηση απελπισίας, όπως έλεγε και ο ίδιος) ότι οποιαδήποτε ποσότητα ενέργειας μπορεί να διαιρεθεί σε μικρά, μεμονωμένα και μη διαιρέσιμα πακέτα, τα λεγόμενα κβάντα ενέργειας. Είναι, όπως λέμε, κβαντισμένο μέγεθος. Με τον τρόπο αυτό μπόρεσε να δώσει εξήγηση στον τρόπο με τον οποίο εκπέμπεται ακτινοβολία από θερμά σώματα (ακτινοβολία μέλανος σώματος), ένα πρόβλημα που δεν μπορούσε να εξηγηθεί, με την έως τότε αντίληψη που είχαμε για την ενέργεια. Λίγα χρόνια αργότερα ο Albert Einstein χρησιμοποίησε αυτήν την ιδέα, για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, δηλαδή την εκπομπή ηλεκτρονίων από μέταλλα, τα οποία φωτίζονται με κατάλληλη ακτινοβολία. Αμφότεροι τιμήθηκαν με βραβείο Nobel για αυτές τις ανακαλύψεις τους. Η επανάσταση της κβαντικής μηχανικής είχε μόλις ξεκινήσει. Τα επόμενα χρόνια, σπουδαίοι επιστήμονες (Niels Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Max Born, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac κ.ά.) θεμελίωσαν την νέα θεωρία, η οποία σήμερα θεωρείται ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της επιστήμης της Φυσικής.

Τώρα, που πλέον γνωρίζουμε καλά ότι η ενέργεια εκπέμπεται, απορροφάται και μεταφέρεται σε ποσότητες, οι οποίες είναι πάντα ένα ακέραιο πολλαπλάσιο μιας ελάχιστης ποσότητας (του κβάντου ενέργειας), μπορούμε να αναρωτηθούμε γιατί, άραγε, αυτή η ιδιότητα της ενέργειας δεν είναι αισθητή στην καθημερινότητά μας; Αυτό συμβαίνει επειδή τα κβάντα ενέργειας είναι τόσο μικρά, ώστε ακόμα και μια πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας να αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό από αυτά. Ας υποθέσουμε ότι γεμίζουμε ένα σακουλάκι με πολύ λεπτή άμμο και το ζυγίζουμε με μια ζυγαριά, που μετράει με ακρίβεια ενός εκατοστού του γραμμαρίου. Ας φανταστούμε ότι η ποσότητα της άμμου στο σακουλάκι αντιστοιχεί σε μια ποσότητα ενέργειας και ότι κάθε κόκκος είναι το κβάντο αυτής της ενέργειας. Πόσους κόκκους άμμου πρέπει άραγε να προσθέσουμε, ώστε να αλλάξει η ένδειξη της ζυγαριάς κατά ένα εκατοστό του γραμμαρίου; Μάλλον πολλούς! Όταν αλλάξει η ένδειξη, θα βλέπουμε το σακουλάκι πιο γεμάτο; Μάλλον όχι! Ας αναλογιστούμε τώρα ότι στην πραγματικότητα τα κβάντα ενέργειας είναι αναλογικά πολύ μικρότερα από τους κόκκους της άμμου, όσο λεπτοί και αν είναι αυτοί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η κβαντική φύση της ενέργειας δεν είχε γίνει αντιληπτή για τόσο πολύ καιρό.

Κβαντική ακτινοβολία και κβαντική ενέργεια

Αν και η ενέργεια είναι ένα κβαντισμένο μέγεθος, όταν ασχολούμαστε με εφαρμογές της καθημερινότητας, όπως για παράδειγμα πόση ηλεκτρική ενέργεια καταναλώσαμε ή πόση ενέργεια μπορεί να μας δώσει ένας κινητήρας σε κάποιο χρονικό διάστημα, δεν είναι ανάγκη να καταφεύγουμε στους νόμους της κβαντομηχανικής. Η κλασική Φυσική μάς καλύπτει απόλυτα. Ας ονομάσουμε λοιπόν αυτήν την ενέργεια «κλασική» ενέργεια. Για να γίνει αισθητή η κβαντική φύση της ενέργειας, πρέπει να μελετήσουμε φαινόμενα που συμβαίνουν στον μικρόκοσμο, δηλαδή να δούμε πώς συμπεριφέρονται ενεργειακά τα άτομα, οι πυρήνες και τα υποατομικά σωματίδια, να μελετήσουμε δηλαδή κβαντικά φαινόμενα. Σε ατομικό επίπεδο, για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα ενός ατόμου, μπορούν να βρίσκονται μόνο σε πολύ συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις. Για να μεταπηδήσουν σε μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας, πρέπει να απορροφήσουν ένα κβάντο ενέργειας, δηλαδή μια πολύ συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας, και όταν μεταπίπτουν σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, εκπέμπουν πάλι ένα κβάντο ενέργειας, με τη μορφή ακτινοβολίας, δηλαδή ένα φωτόνιο ή κβάντο φωτός. Όσο πιο μεγάλη είναι η ενεργειακή διαφορά μεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης του ηλεκτρονίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του φωτονίου. Επίσης, στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για να μπορέσει κάθε ηλεκτρόνιο να «αποδράσει» από την επιφάνεια του μετάλλου, πρέπει πάλι να απορροφήσει ένα φωτόνιο κατάλληλης ενέργειας. Αντίστοιχα, οι μεταπτώσεις των πυρήνων προς χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, παράγουν επίσης φωτόνια (ακτίνες γ), πολύ μεγαλύτερης ενέργειας από αυτά των ηλεκτρονίων. Αυτή λοιπόν η ενέργεια που εκπέμπεται με ασυνεχή-διακριτό τρόπο από την ύλη, μέσω διεργασιών που συμβαίνουν στον μικρόκοσμο, μπορούμε να πούμε ότι είναι ενέργεια με κβαντική μορφή. Για να μελετήσουμε αυτά τα φαινόμενα και να εξηγήσουμε τον τρόπο με τον οποίο εκλύεται ενέργεια από αυτά, πρέπει να καταφύγουμε στους νόμους της κβαντομηχανικής. Ας ονομάσουμε αυτήν την ενέργεια κβαντική ενέργεια.

Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την κβαντική ενέργεια;

Αφού έχουμε ξεκαθαρίσει ότι η ενέργεια είναι κβαντισμένο μέγεθος και ότι η κβαντική της φύση αποκαλύπτεται σε ενεργειακές μεταβολές στον μικρόκοσμο, ας δούμε μερικές από τις επιδράσεις της κβαντικής ενέργειας στη ζωή μας και μερικούς τρόπους που μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε προς όφελός μας.

Κβαντική ενέργεια και σύμπαν

Το σύμπαν είναι γεμάτο με κβαντική ενέργεια, η οποία ρέει προς εμάς. Οι πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό των άστρων, άρα και του Ήλιου μας, παράγουν έναν απίστευτο αριθμό φωτονίων, κβάντων ενέργειας δηλαδή, πολλά από τα οποία καταφέρνουν να διαπεράσουν την ατμόσφαιρα της Γης και να φτάσουν σε εμάς. Το αποτέλεσμα που έχουν επάνω μας, εξαρτάται από την ενέργεια που μεταφέρει κάθε ένα από αυτά. Άλλα μας ζεσταίνουν (υπέρυθρη ακτινοβολία) και άλλα μας βοηθούν να βλέπουμε (ορατή ακτινοβολία). Άλλα όμως μεταφέρουν αρκετή ενέργεια, η οποία μπορεί να προκαλέσει βλάβες στα κύτταρά μας (υπεριώδης ακτινοβολία) και είναι αυτά από τα οποία προστατευόμαστε όταν φοράμε αντηλιακό. Επίσης, στον Ήλιο δημιουργούνται, μέσω κβαντικών φαινομένων, φορτισμένα σωματίδια πολύ μεγάλης ενέργειας, τα οποία θα ήταν πολύ επικίνδυνα, αν έφταναν στην επιφάνεια της Γης. Ευτυχώς το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας και η ατμόσφαιρά του μας προστατεύουν. Το λεγόμενο βόρειο σέλας δημιουργείται από την (κβαντική) αλληλεπίδραση των φορτισμένων σωματιδίων με τα αέρια των ανώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας. Η κβαντική ενέργεια του σύμπαντος λοιπόν, άλλοτε μπορεί να είναι χρήσιμη και ευεργετική και άλλοτε επιβλαβής, αλλά σίγουρα μας δίνει εντυπωσιακά φαινόμενα!

Κβαντική ενέργεια και υγεία (πρόληψη και θεραπεία)

Η κβαντική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ιατρικούς σκοπούς, όπως διάγνωση και θεραπεία διαφόρων παθήσεων. Για παράδειγμα, οι ακτίνες Χ, που χρησιμοποιούμε για ακτινοδιάγνωση, παράγονται όταν ηλεκτρόνια μεγάλης κινητικής ενέργειας επιβραδύνονται απότομα και αποβάλλουν την ενέργειά τους εκπέμποντας φωτόνια μεγάλης ενέργειας. Αυτά τα φωτόνια είναι αρκετά ισχυρά ώστε να διαπερνούν εύκολα τους μαλακούς ιστούς του ανθρώπινου σώματος, αλλά όχι τα οστά. Όμως, μεγάλη δόση από αυτά μπορεί να προκαλέσει βλάβες στα κύτταρα, που ίσως οδηγήσει στην ανάπτυξη καρκινικών όγκων. Η κβαντική ενέργεια σε αυτή την περίπτωση πρέπει να χρησιμοποιείται με σύνεση. Λόγω της βλάβης που μπορούν να προκαλέσουν, ακτίνες Χ μεγάλης ενέργειας χρησιμοποιούνται για την καταστροφή καρκινικών κυττάρων (ακτινοθεραπεία).

Η χρήση ραδιοϊσοτόπων, δηλαδή ραδιενεργών πυρήνων, που μέσω κβαντικών διαδικασιών παράγουν φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας (ακτίνες γ) και φορτισμένα σωματίδια (ακτίνες β), είναι πολύ διαδεδομένη ως απεικονιστική μέθοδος διάγνωσης, το λεγόμενο σπινθηρογράφημα, και ως θεραπευτική μέθοδος καταπολέμησης των καρκινικών κυττάρων.

Η τεχνολογία LASER βασίζεται και αυτή σε κβαντικά φαινόμενα. Μια δέσμη φωτός LASER παράγεται όταν ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων παθαίνει την ίδια ακριβώς μετάπτωση (δηλαδή όλα τα ηλεκτρόνια χάνουν την ίδια ακριβώς ενέργεια), οπότε εκπέμπεται ένας μεγάλος αριθμός όμοιων κβάντων ενέργειας (φωτονίων). Μια δέσμη LASER μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θεραπευτικούς σκοπούς σε όλους σχεδόν τους κλάδους της ιατρικής (χειρουργική, δερματολογία, οδοντιατρική κ.λπ.).

Φυσικά υπάρχουν πάρα πολλές ακόμα εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής στη σύγχρονη κοινωνία. Το βέβαιο είναι ότι, μέχρι τώρα, η κατανόηση και η μετέπειτα χρήση της κβαντικής ενέργειας έχει βελτιώσει πολύ τη ζωή των ανθρωπίνων και μη πλασμάτων αυτού του πλανήτη, ειδικά στον χώρο της υγείας, και ελπίζουμε ότι η έρευνα, που βρίσκεται σε εξέλιξη, θα μας χαρίσει πολλές ακόμη νέες εφαρμογές.

 

Βιβλιογραφία

Αντύπας, Γεώργιος, Τα laser στην ιατρική, επιμέλεια: Θ. Ντόλατζας, Αθήνα: Παρισιάνου Μαρία Γρ., 1996

Τραχανάς, Στέφανος Λ., Κβαντομηχανική, 6η έκδ., Ηράκλειο, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 1993

Halliday, David, 1916-2010, Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker - 6th ed., extended - New York; Chichester: Wiley, c2001

https://quantum2025.org/

https://www.efie.gr/index.php/gr/informations-3/educationmaterial/item/68-radionuclidebonemetastases

https://www.efie.gr/index.php/gr/informations-3/educationmaterial/item/80-radionuclidetherapy

https://tinyurl.com/msfuxcuz (Ηλεκτρονική βιβλιοθήκη Πανεπιστημίου Θεσσαλίας)

https://eclass.uoa.gr/modules/document/file.php/MED263/Laser%20and%20medical%20applications.pdf

κετ