Σωματίδια και κύματα: Το κεντρικό μυστήριο της κβαντομηχανικής - Τσαντ Όρζελ

Παρακολουθείστε ολόκληρο το μάθημα εδώ: http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel

Είναι πολύ εντυπωσιακό πως τα πάντα στο Σύμπαν, από το φως μέχρι τα ηλεκτρόνια και τα άτομα, συμπεριφέρονται ταυτόχρονα και ως σωματίδια και ως κύματα. Αλλά πώς οι φυσικοί κατέληξαν σε αυτό το περίεργο συμπέρασμα; Ο Τσαντ Όρζελ απαριθμεί τους επιστήμονες που βασίστηκαν ο ένας στους ώμους του άλλου για να καταλήξουν σε αυτό το «κεντρικό μυστήριο» της κβαντομηχανικής.

Μάθημα του Τσαντ Όρζελ, γραφικά της Τζοάνα Μπαρτολομέου.

Ένας από τους πιο εντυπωσιακούς
κανόνες της φυσικής είναι

ότι τα πάντα στο Σύμπαν, από το φως
ως τα ηλεκτρόνια και τα άτομα,

συμπεριφέρονται ταυτόχρονα
ως σωματίδια και ως κύματα.

Οτιδήποτε άλλο μπορεί να έχετε
ακούσει για την κβαντική φυσική,

η γάτα του Σρέντινγκερ,
ο Θεός που παίζει ζάρια,

τρομακτικές ενέργειες από απόσταση,
όλα αυτά έπονται άμεσα του γεγονότος

ότι όλα έχουν και σωματιδιακή
και κυματική φύση.

Αυτό μπορεί να ακούγεται τρελό.

Εάν κοιτάξετε γύρω σας, θα δείτε κύματα
στο νερό και σωματίδια στις πέτρες,

και δε μοιάζουν καθόλου.

Γιατί, λοιπόν, να σκεφτείτε
να τα συνδυάσετε;

Οι φυσικοί δεν αποφάσισαν έτσι απλά
από μόνοι τους να τα κολλήσουν μαζί.

Αντιθέτως, οδηγήθηκαν
στη δυαδική φύση του Σύμπαντος

μέσα από μια ακολουθία
μικρών βημάτων, συνταιριάζοντας

πολλά μικρά κομμάτια παρατηρήσεων,
όπως τα κομμάτια σε ένα παζλ.

Ο πρώτος που πρότεινε σοβαρά
τη δυαδική φύση του φωτός

ήταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905,

αλλά συνέχιζε μια παλιότερη ιδέα
του Μαξ Πλανκ.

Ο Πλανκ εξήγησε τα χρώματα του φωτός
που εκπέμπεται από καυτά αντικείμενα,

όπως το νήμα μιας λάμπας φωτισμού,

αλλά για να το καταφέρει
χρειάστηκε ένα απεγνωσμένο κόλπο:

είπε ότι το αντικείμενο
αποτελούνταν από ταλαντωτές

που μπορούσαν να εκπέμψουν
φως σε διακριτά πακέτα,

μονάδες ενέργειας που βασίζονται
στη συχνότητα του φωτός.

Τον Πλανκ ποτέ
δεν τον ενθουσίασε αυτή η ιδέα,

αλλά ο Αϊνστάιν την άρπαξε.

Χρησιμοποίησε ο ίδιος την ιδέα
του Πλανκ, λέγοντας ότι το φως,

το οποίο όλοι ήξεραν ότι είναι κύμα,
είναι στην πραγματικότητα

μια ροή φωτονίων, με το καθένα από αυτά
με μια διακριτή ποσότητα ενέργειας.

Αν και ο ίδιος ο Αϊνστάιν το αποκάλεσε

το μοναδικό πραγματικά
επαναστατικό πράγμα που έκανε,

αυτό εξηγεί τον τρόπο με τον οποίο
το φως μπορεί να αφαιρέσει σωματίδια

από μια μεταλλική επιφάνεια.

Ακόμα και άνθρωποι που μισούσαν την ιδέα
έπρεπε να συμφωνήσουν ότι δουλεύει τέλεια.

Το επόμενο κομμάτι του παζλ ήρθε
από τον Έρνεστ Ράδερφορντ στην Αγγλία.

Το 1909, ο Έρνεστ Μάρσντεν
και ο Χανς Γκάιγκερ,

οι οποίοι δούλευαν για τον Ράδερφορντ,
έριξαν σωματίδια Α σε άτομα χρυσού

και εξεπλάγησαν όταν βρήκαν
ότι μερικά ανακλώνταν προς πίσω.

Αυτό έδειξε ότι το μεγαλύτερο μέρος
του ατόμου είναι συγκεντρωμένο

σε ένα μικροσκοπικό πυρήνα.

Το άτομο που μάθατε στο σχολείο,

με τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται
σαν μινιατούρα ηλιακού συστήματος,

αυτό είναι του Ράδερφορντ.

Υπάρχει ένα μικρό πρόβλημα με το άτομο
του Ράδερφορντ: δε μπορεί να δουλέψει.

Η κλασική φυσική μας λέει

ότι ένα ηλεκτρόνιο
γυρίζοντας σε έναν κύκλο

εκπέμπει φως, και αυτό
το χρησιμοποιούμε συνέχεια

για την παραγωγή
ραδιοκυμάτων και ακτίνων-Χ.

Τα άτομα του Ράδερφορντ
θα έπρεπε να ψεκάζουν ακτίνες Χ

σε όλες τις κατευθύνσεις
για μια σύντομη στιγμή,

πριν τα ηλεκτρόνια πέσουν
πάνω στον πυρήνα.

Αλλά ο Νιλς Μπορ,

ένας Δανός θεωρητικός φυσικός
ο οποίος δούλευε με τον Ράδερφορντ,

επεσήμανε ότι τα άτομα προφανώς υπάρχουν,

και άρα οι κανόνες της φυσικής
ίσως έπρεπε να αλλάξουν.

Ο Μπορ πρότεινε πως ένα ηλεκτρόνιο
σε συγκεκριμένες τροχιές

δεν εκπέμπει καθόλου φως.

Τα άτομα απορροφούν και εκπέμπουν φως
μόνο όταν τα ηλεκτρόνια αλλάζουν τροχιά,

και η συχνότητα του φωτός εξαρτάται
από την ενεργειακή διαφορά,

όπως ακριβώς είχαν πει
ο Πλανκ και ο Άϊνσταιν.

Το άτομο του Μπορ διορθώνει
το πρόβλημα του Ράδερφορντ

και εξηγεί γιατί τα άτομα εκπέμπουν
μόνο πολύ συγκεκριμένα χρώματα φωτός.

Κάθε χημικό στοιχείο έχει
τις δικές του μοναδικές τροχιές,

και έτσι, τις δικές του
μοναδικές συχνότητες.

Το μοντέλο του Μπορ έχει
ένα πολύ μικρό πρόβλημα:

δεν υπάρχει κανένας λόγος για αυτές
τις τροχιές να είναι ξεχωριστές.

Αλλά ο Λουί ντε Μπρέηγ,
ένας Γάλλος διδακτορικός φοιτητής,

τα αναποδογύρισε όλα.

Επεσήμανε ότι, αν το φως, το οποίο
όλοι ήξεραν ότι είναι ένα κύμα,

συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο,

ίσως το ηλεκτρόνιο, το οποίο
όλοι ήξεραν ότι είναι ένα σωματίδιο,

συμπεριφέρεται σαν κύμα.

Και αν τα ηλεκτρόνια είναι κύματα,
είναι εύκολο να εξηγήσουμε

τον κανόνα του Μπορ για την επιλογή
συγκεκριμένων τροχιών.

Αν έχετε την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια

λειτουργούν ως κύματα,
μπορείτε να αρχίσετε να το ψάχνετε.

Και μέσα σε λίγα χρόνια, επιστήμονες
από τις Η.Π.Α. και την Βρετανία

είχαν παρατηρήσει κυματική
συμπεριφορά στα ηλεκτρόνια.

Τώρα έχουμε μια πολύ
ξεκάθαρη επίδειξη αυτού:

ρίχνοντας μεμονωμένα ηλεκτρόνια
σε ένα εμπόδιο με οπές,

κάθε ηλεκτρόνιο ανιχνεύεται
σε μια συγκεκριμένη θέση

σε ένα συγκεκριμένο χρόνο,
όπως ένα σωματίδιο.

Αλλά όταν επαναλαμβάνετε
το πείραμα πολλές φορές,

όλα τα ηλεκτρόνια δημιουργούν
ένα σχήμα από λωρίδες,

χαρακτηριστικό της κυματικής συμπεριφοράς.

Η ιδέα ότι τα σωματίδια συμπεριφέρονται
ως κύματα, και το ανάποδο,

είναι μια από τις πιο περίεργες
και πιο ισχυρές στη φυσική.

Όπως είπε και ο Ρίτσαρντ Φάινμαν,

αυτό δείχνει το κεντρικό
μυστήριο της κβαντομηχανικής.

Όλα τα υπόλοιπα έπονται από αυτό,

όπως τα κομμάτια ενός παζλ
που μπαίνουν στη θέση τους.