Sedem znanstvenih odkritij, ki so omogočila pametne mobilnike

Pred Galilejem in Newtonom je bilo človekovo razumevanje okolice precej omejeno, takratna družba je bila podobna tisti iz sage Igra prestolov. V manj kot 500 letih pa je napredovalo do stopnje, ko se lahko prek majhne naprave pogovarjamo z nekom na drugem koncu sveta in mu hkrati pošiljamo fotografije z včerajšnje zabave.

Fizika je omogočila industrijsko revolucijo, električno dobo in vesoljska odkritja. Človeške tehnološke avanture v 21. stoletje pa ne bi bilo brez sedmih ključnih odkritij.

Newtonovi zakoni gibanja Pred Isaacom Newtonom so naše razumevanje gibanja teles v vesolju oblikovali stari Grki. Zakaj predmeti padejo na zemljo? Ker želijo biti spet združeni s tlemi, je menil Aristotel. In zakaj med gibanjem upočasnijo? Ker so utrujeni, jasno.

Newton je svoje tri precej bolj napredne zakone gibanja objavil leta 1687 v legendarni knjigi Principia, kjer je prvič opisal gravitacijsko silo, ki vpliva na gibanje objektov v vesolju in na Zemlji, med njimi tudi hrušk. Njegovi zakoni se glasijo takole:

1. Telo miruje ali se giblje premo enakomerno, če nanj ne deluje nobena sila ali pa je vsota vseh sil, ki delujejo nanj, enaka nič. 2. Pospešek telesa je premo sorazmeren z rezultanto sil na telo in obratno sorazmeren z maso telesa. 3. Če prvo telo deluje na drugo telo s silo, deluje to na prvo z enako veliko, a nasprotno usmerjeno silo.

Danes na videz preprosti zakoni so v 18. in 19. stoletju zanetili industrijsko revolucijo, saj vsi stroji delujejo na temelju newtonske znanosti. Njegova matematika je bila tudi osnova za gradnjo prvih nebotičnikov, saj lahko s pomočjo drugega zakona natančno izračunamo silo na vsakem koščku vsake opeke v zgradbi. Tretji zakon pa je temeljni kamen za razumevanje reaktivnega pogona, ki je še vedno edini način, da človek pride v vesolje.

Faradayev zakon Če je bila gravitacija prva sila, ki jo je človek res razumel, je bil elektromagnetizem druga. Ljudje so tisočletja z začudenjem opazovali strele, a šele v 19. stoletju so se naučili, kako koristno uporabiti njihovo moč. Takrat je namreč Michael Faraday za kolege v londonskem Royal Societyju pripravljal osupljive prikaze moči statične elektrike. Ob tem je odkril indukcijo in napisal Faradayev zakon, ki pravi, da je pri elektromagnetni indukciji inducirana napetost v zaključeni zanki premo sorazmerna s hitrostjo spreminjanja magnetnega pretoka skozi površino te zanke.

V prevodu to pomeni, da če v magnetno polje postavimo žico in jo premikamo, bo magnetno polje premaknilo elektrone v žici in ustvarilo električni tok. Rojen je bil električni motor, Faradayev zakon pa je postavil tudi temelje električne revolucije, ki je sledila. Omogočil je poznejša odkritja Nikole Tesle in preostalih pionirjev umetne svetlobe, v kombinaciji z Newtonovo fiziko pa je postavil temelje hidroelektrarn. Faradayeva odkritja so osnova za vse električne naprave in moderno telefonijo.

Maxwellove enačbe Faradayu ni uspelo dokončati svoje teorije o elektriki in magnetizmu, zato je razmerje med njima v matematične enačbe prevedel James Clerk Maxwell. Njegove enačbe opisujejo časovne spremembe elektromagnetnega polja in njegovo širjenje v prostoru, odkril pa je tudi, da je svetloba nihajoč elektromagnetni val.

Maxwellovo delo je postavilo temelje sodobnih rentgenskih in magnetnoresonančnih naprav.

Drugi zakon termodinamike Poznan tudi kot zakon entropije, drugi zakon termodinamike pravi, da se razlike v temperaturi in drugih vrstah energije čez čas vedno izničijo in dosežejo termodinamično ravnovesje. Ta zakon, ki ga je prvič zapisal Francoz Sadi Carnot, je razlog, da se zjutraj oblečete, in pojasnjuje, zakaj bo nekoč v vesolju zmanjkalo toplote.

Razumevanje tega procesa je vodilo do izuma hladilnih sistemov, od običajnih hladilnikov pa do sistemov za hlajenje računalnikov.

Atomska teorija Človekovo razumevanje gradnikov snovi, atomov, je spodbudilo naslednjo tehnološko dobo – računalniško. Brez dvoma najvplivnejša iznajdba na tej podlagi je bil na začetku 20. stoletja skromni tranzistor, brez katerega danes računalniki in pametni telefoni ne bi obstajali.

Tranzistorji so narejeni iz polprevodnega materiala in nadzorujejo premikanje elektronov skozi vezje. Prvič so tranzistorje uporabili v zgodnjih radiih, ti prvi res brezžični komunikacijski sistemi so se med seboj sporazumevali prek najdaljših svetlobnih valov v elektromagnetnem spektru – radijskih valov.

Prve silicijeve tranzistorje je leta 1954 izdelalo podjetje Texas Instruments in s tem spodbudilo računalniško dobo. Silicij je namreč idealen polprevodni material, saj ga je v vesolju več kot dovolj. S tem, ko so na en kos silicija nagnetli veliko tranzistorjev, so računalniški pionirji ustvarili naprave, ki so lahko v zelo kratkem času naredile veliko število izračunov.

Najnovejša generacija Haswellovih računalniških čipov sicer uporablja tranzistorje, ki merijo le 22 nanometrov, kar je precej manj, kot je debel človeški las.

Kvantna teorija Kvantna mehanika je del osnovne fizike in čeprav jo poznamo že več kot sto let, smo jo šele začeli izkoriščati. Albert Einstein je pojasnil, kako gravitacija oblikuje vesolje, in satelitska navigacija, na katero se tako radi zanašamo, brez njegovega dela ne bi obstajala. Naprave GPS morajo namreč na milijardinko sekunde natančno ujeti točen čas, za kar uporabljajo atomske ure.

V atomskih urah so atomi cezija, redke kovine, ki ima v periodnem sistemu številko 55. Elektroni cezija skačejo stran od jedra na višji energijski nivo in potem padajo nazaj, pri čemer oddajo foton svetlobe. Ti curki svetlobe vsako sekundo utripnejo devet milijardkrat. Naprava GPS računa svoj položaj s triangulacijo časovnih kod satelitov na znanih oddaljenostih v orbiti in v primeru še tako majhnega odstopanja teh časovnih kod bi celoten sistem postal neuporaben.

Kvantna teorija je postavila tudi temelje današnjih predvajalnikov Blu-ray. Laserje sicer danes uporabljamo za nešteto vsakdanjih opravil, kot je na primer branje podatkov z optičnih diskov, pa tudi za orožje in spodbujanje fuzijskih reakcij v poskusnih elektrarnah, kjer fiziki poskušajo razkriti Einsteinovo formulo E=mc2 in sprostiti moč zvezd. S fuzijsko energijo bi namreč lahko nekega dne dostopali do skoraj neskončne količine čiste energije, kar bo verjetno omogočilo novo veliko obdobje človeškega razvoja.

Kvantna prihodnost Čeprav danes že uporabljamo nekatere zakone kvantne teorije, pa je naše znanje še zelo omejeno. Na kratko, še vedno smo ljudje iz Igre prestolov.

Kvantna teorija ima možnost spremeniti svet približno tako, kot so Newtonovi zakoni spodbudili industrijsko revolucijo. V srcu kvantne mehanike je sicer protiintuitivna ideja, da so lahko podatomski delci na več krajih hkrati, in jo danes uporabljamo za razvoj kvantnih računalnikov. Medtem ko običajni računalniki uporabljajo bite v obliki ničel in enk, bodo kvantni procesorji uporabljali kvantne bite (qubite), ki so lahko enke, ničle in vse ostalo hkrati. Ti računalniki tako za reševanje problema ne bodo več zaporedoma pregledovali možnih odgovorov, ampak bodo hkrati izračunali vse možne rešitve in izbrali najboljšo.

Kvantno mehaniko sicer že uporabljajo za kodiranje podatkov, kvantne pike pa raziskujejo tudi v povezavi z bojem proti raku ter razvojem nove generacije sončnih celic in komunikacije, hitrejše od svetlobe. Prihodnost bo očitno precej zanimiv kraj.