W tym artykule chcę Wam pokazać piękno fizyki kwantowej, która mimo że zawiła, daje nam zupełnie nowe możliwości i jako jedyna pokazuje pełne prawa rządzące Wszechświatem. Temat dotyczyć będzie natury światła: jest ono falą, cząstką, a może występuje w obu stanach?
Fala
W codziennym życiu nie jest ciężko rozróżnić materię od energii, falę od cząstki. Jednakże w fizyce nie zawsze jest to takie proste. Cofnijmy się teraz do swojej pierwszej lekcji fizyki z optyki. Na pewno słyszeliście takie określenie jak „fala świetlna”. I oczywistym było, że taka fala podlega wszystkim prawom fal: odbicia, załamania, zasadzie Fermata (tzn. najkrótszego czasu). Sprawdzając bardziej wnikliwie, falowość światła wynika z konstrukcji równań Maxwella. W skrócie: Maxwell połączył kilka równań z elektryczności i magnetyzmu, zauważył coś i wyszło mu, że światło, to naprzemiennie indukujące się pole elektryczne i magnetyczne. Czyli jest ono falą elektromagnetyczną.
Korpuskuła
Wszystko byłoby pięknie, gdyby nie dwóch wielkich fizyków: Max Planck i Albert Einstein. Na początku XX wieku teoria elektromagnetyzmu wydawała się już prawie kompletna. Brakowało tylko jednego: dobrego opisu rozkładu promieniowania ciała doskonale czarnego. Znaczy to, ile energii (i w jakim rozkładzie) będzie wypromieniowywało ciało, jeżeli rozgrzejemy je do pewnej temperatury. Opierając się tylko na falowej naturze światła, dochodzono do wniosku, że nieskończoną ilość, niezależnie od temperatury. Był to problem, który rozwiązał dopiero Max Planck poprzez skwantowanie energii. Nie dawano jednak wiary jego rozwiązaniu i poszukiwano „ładniejszej” (tu: korzystającej tylko z falowej natury światła) metody. Niestety dla ówczesnych fizyków, Albert Einstein cztery lata później opublikował pracę o efekcie fotoelektrycznym. Przyjął w niej rozumowanie Plancka za poprawne, a sam już w pełni opisał fotony jako cząstki, a nie fale. Jego teoria okazała się prawdziwa, kilkanaście lat później otrzymał za nią Nagrodę Nobla. Więc co? Jednak cząstka?
Oba na raz!?
Czyli mamy pewien kłopot. Są dwie teorie, obie twierdzą zupełnie co innego (cząstka – fala) i obie są poprawne. Jak to możliwe? Aby to rozstrzygnąć, w roku 1909 Geoffrey Taylor przeprowadził eksperyment ze szczelinami. Wyniki sprawiły jednak fizykom jeszcze większy kłopot niż poprzedni. Eksperyment wyglądał następująco: Jeżeli przez dwie szczeliny przepuści się wiązkę cząstek, na ekranie powstanie losowy wzór. Jeżeli przez te same szczeliny przepuści się falę, powstanie wzór interferencyjny (naprzemienne prążki). Geoffrey zamiast ekranu wstawił bardzo czuły aparat, który rejestrował każde uderzenie fotonu w ekran. Wysyłał fotony pojedynczo. Okazało się że kwanty światła zachowują się jak cząstki – wykrywano pojedyncze impulsy, a nie całe „uderzenie” fali. Jednak później, ku swoim zdziwieniu, zaobserwował, że fotony uderzają w ekran z rozkładem wprost proporcjonalnym do natężenia fali.
Wniosek? Foton interferuje sam ze sobą na szczelinach (czyli jest falą), a potem jako pojedynczy impuls pada na ekran (czyli jest cząstką). Aby zaobserwować, co się naprawdę dzieje, postawił przy szczelinach detektor i powtórzył eksperyment. Tym razem jednak, kiedy było dokładnie wiadomo gdzie leci kwant światła, nie ukazało ono swoich falowych właściwości i na ekranie uzyskano wzór jak dla cząsteczek. Obserwacja wpłynęła zatem na wynik eksperymentu. Ostatecznie, fizycy uznali światło za posiadające jednocześnie właściwości falowe jak i cząsteczkowe. Kilkanaście lat później potwierdził to Louis de Broglie odkryciem fal materii (co więcej, jego równanie pokazuje falowość całej materii, a nie tylko tej kwantowej).
Mam nadzieję, że zrozumieliście, dlaczego światło jest ciekawsze, niż mogłoby się wydawać. Zachęcam do zgłębiania wszelkich zagadnieniach poruszonych przeze mnie w tym tekście. Artykuł był pierwszym z cyklu „Nauka (nie)zwykła”. Mam zamiar pisać popularnonaukowe teksty na tematy ciekawe i niespotykane w szkolnych podręcznikach. Jeżeli macie pomysł lub dręczy Was jakiś temat związany z nauką – piszcie do redakcji Gazety Międzyszkolnej.
Wiktor Włodarczyk XIII LO Szczecin
[ad name=”HTML”]
