Entry posted by ...AAA... ·
6,538 views
Kiedy laik słyszy o mechanice kwantowej, od razu wyobraża sobie niezwykle długie i niezrozumiałe równania, których niemal żaden śmiertelnik nie umie nawet poprawnie odczytać. Po części ma on rację. Jest jednak druga strona, pełna elegancji, finezji i polotu. To nauka ekstremalna, urzeczywistniająca marzenia fanów science fiction, działająca na wyobraźnie każdego inteligentnego człowieka. W nowej serii wpisów chciałbym Wam przedstawić właśnie tą drugą, fantastyczną stronę fizyki. Jeśli więc, podobnie jak ja, jesteście zainteresowani naturą wszechświata - materii, energii, czasu, a nawet nas samych, to zapraszam do lektury części 1: Nieoznaczoność.
ACHTUNG! Nie uciekajcie! Obiecuję, że w tekście nie zostanie użyty żaden wzór matematyczny
.Zastanawiałem się od czego rozpocząć tak ważny artykuł, tak aby nikt nie czuł się zagubiony. Zacznę więc od pytania: Z czego składa się świat? Nikt nie ma dziś wątpliwości, że składa się z mikroskopijnych atomów. Atomy z kolei zbudowane są z masywnego jądra i okrążających go elektronów... A raczej tak byłby zbudowany w idealnie uporządkowanym świecie, jakiego spodziewali się pierwsi fizycy nuklearni, tacy jak Niels Bohr. Ten model, słusznie nazwany modelem planetarnym atomu, choć piękny i ułożony to jednak nie jest poprawny. Przyczyną zamieszania jest fakt, iż w porównaniu do planet, nie możemy całkiem dokładnie określić położenia okrążającej jądro cząstki. Pytanie, czy wynika to z niesłychanie małych rozmiarów elektronu (jest setki razy mniej masywny od protonów i neutronów) i słabości aparatury badawczej, czy może z dziwnej i zwariowanej natury wszechświata?
Elektron nie był pierwszą cząstką mieszającą w głowach fizyków. Dwa wieki wcześniej Sir Isaac Newton stwierdził, że samo światło składa się maleńkich "kuleczek", przenoszących energię i odbijających się od wszystkiego, dzięki czemu widzimy. Trzeba przyznać, że było to całkiem trzeźwe i sensowne stanowisko. Zabawę Newtonowi popsuł inny Anglik - Thomas Young, który w swoim słynnym doświadczeniu wykazał, że światło może zadziałać jak typowa fala. Young po prostu skierował światło, przez szczeliny ułożone w taki sposób, aby cząstka nie mogła się przebić do ostatniej ścianki. Światło uległo jednak interferencji, której dowodem było ukazanie się na ściance jaśniejszych i ciemniejszych prążków. Fizyka przeżyła szok. Oto foton - porcja światła, okazał się zarówno punktową cząstką jak i odcinkiem fali elektromagnetycznej. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy stał się faktem.
Wiele lat później podobnego typu eksperymenty przeprowadzono na elektronach. Wyniki ukazały jeszcze bardziej zdumiewający charakter przyrody. Kiedy przepuszczono owe cząstki elementarne przez przegrodę ze szczelinami, to na ekranie ukazały się ślady bombardowania konkretnymi elektronami, które nie natrafiły na przeszkodę. Elektrony zachowały się niczym amunicja karabinu, której część trafiła w szczelinę i wylądowała u celu. Gdy jednak powtórzono eksperyment w zamkniętym pomieszczeniu, bez obserwatora i urządzeń pomiarowych, to okazało się, że strumień elektronów zachował się niczym światło u Younga - interferował (jeśli nie zrozumiałeś - patrz film poniżej). Oba wzory na ekranie pokazują pewien obraz rzeczywistości. Pytanie za 100 punktów! Jaka była droga pojedynczego elektronu w drugim przypadku (bez obserwatora)? Interferencja wskazuje na chory wniosek - pojedynczy elektron potrafi przejść przez dwie szczeliny jednocześnie!
[media=]
Oto, co na ten temat mówi Dr Kwant
Powyższe doświadczenie jest kwintesencją tajemniczej mechaniki kwantowej. To fizyka ekstremalna, w której coś jest i nie jest jednocześnie; cząsteczki są falami, a fale cząstkami i potrafią znajdować się w kilku miejscach na raz. Po takich wnioskach Newton przewrócił się w grobie a Einstein (na ironię miał spory wpływ na powstanie podstaw mechaniki kwantowej) się wypiął szukając konkretniejszego wyjaśnienia. Na tej podstawie niemiecki uczony, Werner Heisenberg, przedstawił zasadę nieoznaczoności. Zgodnie z nią nikt nie jest wstanie dokładnie zmierzyć położenia i pędu cząstki, a jedynie obliczyć prawdopodobieństwo jej spotkania. Jeśli się zastanowić, to powód jest całkiem prosty. Gdy oglądamy przez klasyczny mikroskop bakterię, to bombardujemy ją fotonami, które odbijają się odeń i wracają do naszego oka, dzięki czemu widzimy. W potężnych mikroskopach elektronowych ostrzeliwujemy materię bardzo subtelnie wiązką elektronów, co daje możliwość obserwacji pojedynczych atomów. Problem pojawia się gdy zechcemy podejrzeć pojedynczy elektron. Siłą rzeczy, aby tego dokonać musimy uderzyć go innym elektronem co go przesunie rozmazując obraz. Patrząc od strony falowej - nie można więc wyznaczyć położenia cząstki z dokładnością większą niż odległość między dwoma grzbietami fali. Co gorsza, im dokładniej zmierzymy pozycję cząstki tym mniej wyraźny obraz otrzymamy.
Myśląc łopatologicznie, można dojść do wniosku, że to tylko kwestia sposobu pomiaru i ta pojedyncza "kulka" gdzieś tam jest. Problem w tym, że nie da się inaczej przeprowadzić pomiaru. Niemal zawsze jakaś siła działa na dany kwant, który staje się nieuchwytny. Rodzą się tu pytania filozoficzne:
1. Czy nieoznaczoność cząstek jest faktyczną właściwością wszechświata i nigdy nie odnajdziemy konkretnej cząstki?
2. Czym tak naprawdę nazywamy falę i czy nie może ona być tożsama z cząstką?
Przynajmniej na to drugie pytanie mogę udzielić ciekawej odpowiedzi, o której dowiedziałem się kilka dni temu. Genialny fizyk Richard Feynman stwierdził, że nie ma żadnej naturalnej sprzeczności między falą i cząstką, gdyż tak naprawdę nie istnieje wyobrażana sobie przez wieki konkretna "kropka" stanowiąca elektron czy foton. Feynman wymyślił, że cała materia składa się z pól energetycznych, które falują w określonych częstotliwościach. Kiedy zauważamy rzekomą cząstkę, to tak naprawdę widzimy "grzbiet" tej fali pojawiający się w danym miejscu lub... miejscach! Ta teoria całkowicie tłumaczy na czym może polegać dualizm korpuskularno-falowy, jak i wyjaśnia we wspaniały sposób zasadę nieoznaczoności.
Gdzieś tam jest elektron... A może jest wszędzie?
Nie mam pojęcia czy podołałem zadaniu i czy dałem radę opisać te niezwykle skomplikowane zjawiska w sposób ciekawy i zrozumiały. Mam jednak nadzieję, że choć kilka osób więcej zainteresuje fantastyczny świat kwantów. Sprawa powinna nas ciekawić tym bardziej, że nieuniknione jest stworzenie w niedalekiej przyszłości komputerów kwantowych, będących tysiące razy bardziej wydajnych od ich standardowych odpowiedników. Jedynie mechanika kwantowa jest wstanie rozpocząć erę teleportacji, komunikowania się na odległości lat świetlnych i podróży w czasie. Aż strach pomyśleć, jakie kolejne dziwy obnaży przed nami Wielki Zderzacz Hadronów.
Piękne są rzeczy, które widzimy,
Jeszcze piękniejsze te, które rozumiemy,
Ale najpiękniejsze te, których nie ogarniamy.
Niels Steensen
Naturalnie w tekście posługuję się ogromnymi uproszczeniami i osoba "w temacie" może wytknąć brak takich terminów jak stała Plancka, superpozycja czy supersymetria. Wszystko w swoim czasie.
16 Comments
Recommended Comments