Tajemnica mechaniki kwantowej

Obejrzyj całą lekcję: http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel

Jeden z najbardziej niezwykłych faktów fizyki, to odkrycie, że wszystko
we wszechświecie – od światła po atomy – zachowuje się jak cząstka i fala
w tym samym czasie. Jak fizykom udało się dojść do tego zaskakującego wniosku? Chad Orzel wymienia ciąg naukowców, którzy – bazując na swoich wzajemnych odkryciach – dotarli do głównej zagadki mechaniki kwantowej

Lekcja: Chad Orzel. Animacja: Joana Bartolomeu.

Jeden z niezwykłych faktów fizyki.

Wszystko we wszechświecie,
od światła po elektrony, aż do atomów,

zachowuje się jak cząstka i fala
w tym samym czasie.

Inne dziwne rzeczy,
które słyszy się o fizyce kwantowej,

Kot Schrodingera, Bóg grający w kości,
czy “upiorne oddziaływanie na odległość”,

wypływają bezpośrednio z faktu,

że wszystko posiada jednocześnie
naturę cząstki i fali.

To może wydawać się szalone.

Kiedy patrzysz dookoła,
widzisz fale w wodzie i cząsteczki skały

tak niepodobne do siebie.

Dlaczego miałyby być ze sobą połączone?

Fizycy nie zdecydowali się
pomieszać tych rzeczy bez powodu.

Do podwójnej natury wszechświata doszli

małymi kroczkami,

składając ze sobą
wiele dowodów jak kawałki puzzli.

Pierwszy, który zasugerował
podwójną naturę światła,

był Albert Einstein, w 1905 roku,

ale podchwycił wcześniejszą ideę
zaproponowaną przez Maxa Plancka.

Planck wyjaśnił barwy światła
emitowanego przez rozgrzane objekty,

jak na przykład żarnik w żarówce,

ale aby tego dokonać,
musiał użyć sztuczki.

Powiedział, że obiekt
składał się z oscylatorów,

które mogły emitować światło
jedynie w oddzielnych porcjach,

których energia zależała
od częstotliwości światła.

Planck był niezadowolony z tej koncepcji,
ale za to podchwcił ją Einstein.

Zastosował ideę Plancka do światła,
uznając, że światło,

powszechnie uznawane za falę,
jest tak naprawdę strumieniem fotonów,

a każdy z nich posiada
sporcjonowaną energię.

Einstein uznał, że to jedyny przełom,
którego dokonał, ale wyjaśnia to,

czemu oświetlając metalową powierzchnię,
następuje emisja swobodnych elektronów.

Nawet przeciwnicy tej idei
musieli przyznać, że jest doskonała.

Kolejną część układanki
dodał Ernest Rutherford z Anglii.

Ernest Marsden i Hans Geiger, w roku 1909,
pracując dla Rutherforda,

uderzali cząstkami alfa w atomy złota

i byli zdumieni, odkrywając,
że niektóre z nich odbiły się.

To pokazało, że masa atomu
koncentruje się w niewielkim jądrze.

Obraz atomu znany ze szkoły,

czyli elektrony orbitujące
jak maleńki układ słoneczny,

to model Rutherforda.

Problem w tym, że atom Rutherforda
nie może działać.

Zgodnie z tradycyjną fizyką, elektron,

który porusza się po okręgu,
emituje światło,

z czego korzysta się stale,
aby wytworzyć fale radiowe i promienie X

Atomy Rutherforda
powinny rozpraszać promienie X

we wszystkich kierunkach,
przez krótką chwilę,

zanim elektron zderzy się z jądrem.

Niels Bor, duński fizyk teoretyczny,
który pracował z Rutherfordem,

zwrócił uwagę na to,
że atomy jednak istnieją,

więc może należy zmienić zasady fizyki.

Bohr zaproponował, że elekton
w pewnych określonych orbitach

nie emituje światła.

Atomy absorbują i emitują światło,
kiedy elektrony zmieniają orbity,

a częstotliwość światła
zależy od różnicy energii,

czyli tak, jak to zaproponowali
Planck i Einstein.

Atom Bohra rozwiązuje problem Rutherforda

i wyjaśnia, dlaczego atomy emitują
ściśle określone barwy światła.

Każda cząstka ma swoją określoną orbitę

i sobie właściwy zestaw częstotliwości.

Z modelem Bohra jest mały problem.

Nie ma powodu, aby orbity były wyjątkowe.

Louis de Broglie, fracuski doktorant,

sprawił, że wszystko zatoczyło koło.

Zasugerował, że jeśli światło,
które uznaje się za falę,

zachowuje się jak cząstka,

to może elekton, uznawany za cząstkę,

zachowuje się jak fala.

Jeśli elekrony zachowują się jak fale,

wtedy łatwo wyjaśnić zasadę Bohra,
dotyczącą wyboru specjalnych orbit.

Wiedza o elektronach,
które zachowują się jak fale,

pozwala ich szukać.

W ciągu kilku lat naukowcy
z USA i Wielkiej Brytanii

zaobserwowali elektrony
zachowujące się jak fale.

Teraz mamy niezwykle jasną
tego demonstrację.

Przepuszczając pojedyncze elektrony
przez barierę ze szczelinami.

Każdy elektron zostaje wykryty
w określonym miejscu i czasie,

zupełnie jak cząstka.

Kiedy powtórzy się eksperyment,
i to wielokrotnie,

pojedyncze elektrony ułożą się
we wzór prążków,

co jest charakterystyczne dla fali.

Idea, że cząstki zachowują się
jak fale, a fale jak cząstki,

jest jedną z najdziwniejszych
i najbardziej wpływowych w fizyce.

Znane są słowa Richarda Feynmana,

o tym, że jest to główna tajemnica
mechaniki kwantowej.

Reszta łączy się z tym jak puzzle
ułożone we właściwym miejscu.