ΚΥΜΑ ΚΑΙ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΤΗ ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

 

 

Δεν απαιτείται καμία γνώση της κβαντικής φυσικής για να αναγνωρίσουμε την παραδοξότητα της κβαντικής φυσικής. Το παλαιότερο και αναμφίβολα το μεγαλύτερο από τα κβαντικά μυστήρια αφορά ένα ζήτημα που έχει απασχολήσει τα μεγάλα μυαλά, τουλάχιστον από την εποχή του αρχαίου Έλληνα φιλοσόφου Ευκλείδη: πώς παράγεται το φως;

Η ιστορία αυτή έχει τα μπρος και τα πίσω της. Ο Ισαάκ Νεύτων σκέφτηκε ότι το φως αποτελείτο από μικροσκοπικά σωματίδια – "μόρια" τα λέμε σήμερα. Όμως δεν εντυπωσιάστηκαν με αυτή την άποψη όλοι οι σύγχρονοί του. Στα κλασικά πειράματα που έκανε στις αρχές της δεκαετίας του 1800 ο πολύμαθος Thomas Young, έδειξε με ποιό τρόπο μια ακτίνα φωτός περιθλάται, καθώς αυτή περνάει μέσα από δύο στενές σχισμές που βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, παράγοντας ένα μοτίβο συμβολής πάνω σε μια οθόνη ακριβώς πίσω από τις σχισμές, σαν να ήταν ένα κύμα..

 

 

 

Τι είναι λοιπόν το φως, σωματίδιο ή κύμα; Επιθυμώντας να επαληθεύσει τη φήμη της σαν εικονοκλάστης, η κβαντική θεωρία έδωσε μια απάντηση αμέσως μετά την ίδρυση της στις αρχές του 20ου αιώνα. Το φως είναι τόσο σωματίδιο όσο και κύμα – και έτσι, έκλεισε μια για πάντα το θέμα αυτό. Ένα απλό σωματίδιο σε κίνηση όπως για παράδειγμα ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να περιθλάται όσο και να συμβάλει σαν να ήταν κύμα, και είτε το πιστεύετε είτε όχι, ένα αντικείμενο μεγάλο όσο κι ένα αυτοκίνητο έχει ένα δευτερεύοντα κυματικό χαρακτήρα που κυλάει κατά μήκος του δρόμου.

Την αποκαλυπτική αυτή ιδιότητα του φωτός την γνωρίσαμε με την διδακτορική διατριβή του πρωτοπόρου κβαντικού φυσικού Louis de Broglie το 1924. Αυτός έδειξε ότι αν περιγράψουμε τα κινούμενα σωματίδια σαν να είναι κύματα, τότε θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε γιατί αυτά είχαν διακριτά, κβαντισμένα ενεργειακά επίπεδα και όχι συνεχή όπως προβλεπόταν από την κλασική φυσική.

Ο De Broglie αρχικά θεώρησε την ίδια του την εξήγηση απλά σαν μια μαθηματική αφαίρεση, αλλά ο δυαδισμός του φωτός σαν κύμα και σωματίδιο, φαίνεται να είναι πραγματικότητα. Σύγχρονα πειράματα που αντί για φως – όπως στο κλασικό πείραμα συμβολής του Young – χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια, δίνουν το ίδιο μοτίβο περίθλασης σαν να είχαμε χρησιμοποιήσει κύματα. Φυσικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αντί για ηλεκτρόνια κάθε λογής άλλα σωματίδια.

single_electron_interference_pattern

Πυροβολούμε ηλεκτρόνια ένα-ένα προς το πέτασμα με τις δύο σχισμές και από την πλευρά ένας κινούμενος ανιχνευτής ‘βλέπει’ να σχηματίζεται ένα μοτίβο συμβολής

single_electron_interference_pattern2

Αν βάλουμε δύο ανιχνευτές (αντί για έναν) δεν βλέπουμε συμβολή!

Και οι δύο καταστάσεις – κύματα και σωματίδια – μπορεί να είναι απλά κατασκευάσματα του μυαλού μας, για να διευκολύνουν την καθημερινή κουβέντα.

Βεβαίως δεν έχουμε ακόμη κάνει πείραμα με ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, όπως ένα κινούμενο αυτοκίνητο που το μήκος κύματος de Broglie του είναι της τάξης των 10-38 μέτρα. Αν κάναμε ένα πείραμα σαν του Young αλλά με μεγάλα αντικείμενα, θα έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε σχισμές σε παρόμοια κλίμακα, κάτι που ξεπερνά τις σημερινές μας δυνατότητες. Το πείραμα έχει γίνει, όχι με αυτοκίνητο, αλλά με ένα buckyball – ένα πλέγμα από 60 άτομα άνθρακα με διάμετρο, περίπου, ένα νανόμετρο, που οι φυσικοί το θεωρούν αρκετά μεγάλο για να το δούμε κάτω από το μικροσκόπιο.

buckyball

Όλα αυτά αφήνουν ένα βασικό ερώτημα: πώς μπορεί ένα πράγμα να είναι ταυτόχρονα κύμα και σωματίδιο; Ίσως επειδή αυτό να μην είναι ούτε το ένα ούτε το άλλο, λέει ο Markus Arndt του Πανεπιστημίου της Βιέννης, ο οποίος έκανε πειράματα με buckyball το 1999. Αυτό που λέμε ηλεκτρόνιο ή buckyball ενδέχεται τελικά να μην είναι τίποτα περισσότερο στην πραγματικότητα παρά ένα κλικ σε έναν ανιχνευτή, ή ο εγκέφαλος μας να τα αντιλαμβάνεται όπως και τα φωτόνια καθώς αυτά χτυπούν τον αμφιβληστροειδή μας. "Κύμα και σωματίδιο είναι απλώς κατασκευάσματα του μυαλού μας, για να διευκολύνουν την καθημερινή μας ομιλία," λέει ο Markus Arndt.

Επαφή

Et ego in Arcadia sum

efthimiopoulos@hotmail.com

Αναζήτηση στο site

© 2013 Όλα τα δικαιώματα κατοχυρωμένα

Φτιάξε δωρεάν ιστοσελίδαWebnode