Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Gdy tęcza już
nie wystarcza

Dowód rzeczowy
nr 1: katastrofa
w ultrafiolecie

Dowód rzeczowy
nr 2: zjawisko
fotoelektryczne

Dowód rzeczowy
nr 3: kto lubi
ciasto z rodzynkami?

Zmagania
Bohr: na skrzydłach
motyla

Dwie minuty dla
energii

No więc?
Uchylenie rąbka
tajemnicy

Człowiek, który
nie znał się
na bateriach

Fale materii
i dama w willi

Fala
prawdopodobieństwa

Co to znaczy, czyli
fizyka kroju i szycia

Niespodzianka
na górskim szczycie

Nieoznaczoność
i inne rzeczy

Utrapienie z podwójną
szczeliną

Newton kontra
Schrödinger

Trzy rzeczy, które
trzeba zapamiętać
o mechanice
kwanowej

Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Utrapienie z podwójną szczeliną
 
Utrapienie z podwójną szczeliną
 
N
ajsłynniejszym i  najbardziej pouczającym przykładem sprzecznej z  intuicją natury teorii kwantowej jest eksperyment z  podwójną szczeliną. Jako pierwszy przeprowadził go lekarz Thomas Young w  1802 roku. Rezultat został rozgłoszony jako niezbity dowód świadczący o  falowym charakterze światła. Eksperymentator skierował wiązkę światła, powiedzmy żółtego, na przegrodę, w  której wyciął dwie, bardzo blisko siebie położone, wąskie równoległe szczeliny. Na odległym ekranie widać było światło, które przedostało się przez szczeliny. Kiedy Young zasłonił jedną z  nich, na ekranie widać było wyraźny, nieco rozszerzony wizerunek otwartej szczeliny. Gdy jednak zostały odsłonięte obie, rezultat okazał się dość nieoczekiwany. Drobiazgowe oględziny oświetlonego obszaru ekranu wykazały, że widać na nim serię równomiernie rozmieszczonych jasnych i  ciemnych pasków. Ciemne paski to te obszary, do których światło w  ogóle nie dotarło.
       Paski te stanowią dowód na to, że światło jest falą – powiedział Young. Dlaczego? Są one wynikiem interferencji, która pojawia się wtedy, kiedy zderzają się ze  sobą fale dowolnego rodzaju. Gdy dwie fale na wodzie zderzają się ze sobą grzbiet z  grzbietem, wzmacniają się i  powstaje mocniejsza fala; gdy grzbiet zderza się z  doliną fali, znoszą się nawzajem i  fala się rozpłaszcza.
       Podana przez Younga interpretacja eksperymentu z  podwójną szczeliną głosiła, że zaburzenia falowe, które przybywają do ekranu ze szczelin, mają w  pewnych miejscach fazy powodujące tłumienie. Grzbiet fali pochodzącej z  jednej szczeliny spotyka się na ekranie z  doliną fali biegnącej z  drugiej szczeliny. Stąd wziął się ciemny pasek. Paski tego rodzaju stanowią niepodważalny dowód interferencji. Gdy na ekranie spotykają się dwa grzbiety lub dwie doliny, otrzymujemy jasny pasek. Eksperyment ten został powszechnie zaakceptowany jako dowód na to, że światło jest zjawiskiem falowym.
       W  zasadzie doświadczenie Younga można przeprowadzić w  odniesieniu do elektronów i  w  pewnym sensie to właśnie zrobił Davisson w  Laboratorium Bella. Eksperyment z  elektronami także daje w  efekcie obraz interferencyjny. Na ekranie umieszcza się maleńkie liczniki Geigera, które trzeszczą, gdy padnie na nie elektron. Liczniki Geigera służą do wykrywania cząstek. By upewnić się, że działają należycie, zasłaniamy jedną ze szczelin grubą, ołowianą płytką, tak że nie przechodzą przez nią żadne elektrony. Teraz – jeśli poczekamy dostatecznie długo, aż parę tysięcy elektronów prześlizgnie się przez czynną szczelinę – okaże się, że każdy z  liczników potrzaskuje co jakiś czas. Natomiast kiedy otwarte są obie szczeliny, pewne kolumny liczników ani pisną!
       Chwileczkę! Zaraz, zaraz! Gdy jedna szczelina jest zamknięta, elektrony wychodzące z  drugiej rozprzestrzeniają się. Jedne lecą prosto, inne w  lewo, jeszcze inne w  prawo, dając w  efekcie z  grubsza jednorodny rozkład trzasków pochodzących z  liczników Geigera na całej powierzchni ekranu; podobnie jak u  Younga żółte światło dawało szeroki jasny pasek. Innymi słowy, elektrony, zgodnie z  oczekiwaniem, zachowują się jak cząstki. Natomiast z  chwilą, kiedy usuniemy ołowianą przesłonę i  pozwolimy elektronom przedostawać się także przez drugą szczelinę, obraz ulega zmianie i  żadne elektrony nie docierają do pewnych kolumn liczników, co stanowi odpowiednik pojawiających się na oświetlonym ekranie ciemnych pasków. Teraz z  kolei elektrony zachowują się jak fale. A  przecież wiemy, że są cząstkami, bo liczniki trzeszczą.
       Może, mógłby ktoś powiedzieć, dwa elektrony albo więcej przechodzą jednocześnie przez obie szczeliny i  w  ten sposób symulują falowy obraz interferencyjny. Żeby wykluczyć taką możliwość, zmniejszamy tempo emitowania elektronów do jednego na minutę. Ten sam obraz. Wniosek: elektron przechodzący przez pierwszą szczelinę wie, czy druga szczelina jest otwarta, czy zamknięta, bo w  zależności od tego zmienia swe zachowanie.
       Skąd nam się wzięły te „inteligentne elektrony”? Postaw się, drogi Czytelniku, w  położeniu eksperymentatora. Masz wyrzutnię elektronów, a  więc wiesz, że w  kierunku ekranu wysyłasz cząstki. Wiesz też, że u  celu także masz cząstki, bo trzeszczą liczniki Geigera – każdy trzask oznacza jedną cząstkę. Niezależnie więc od tego, czy otwarta jest jedna, czy dwie szczeliny, na początku i  na końcu mamy do czynienia z  cząstkami. Jednak miejsce, gdzie wyląduje dana cząstka, zależy od tego, ile szczelin pozostaje otwartych. A  zatem wygląda na to, że cząstka przechodząca przez pierwszą szczelinę wie, czy druga jest otwarta, czy nie, ponieważ na podstawie tej wiedzy wydaje się wybierać swoją trasę. Jeśli druga szczelina jest zamknięta, cząstka mówi sobie: „W  porządku, mogę wylądować w  dowolnym punkcie ekranu”. Jeśli szczelina jest otwarta, mówi: „Oho, muszę unikać pewnych rejonów ekranu, aby powstał układ pasków”. Ponieważ jednak cząstki nie mogą „wiedzieć”, nasz dylemat „cząstka-czy-fala” doprowadził do kryzysu logicznego.
       Mechanika kwantowa mówi, że możemy określić prawdopodobieństwo przejścia elektronu przez szczelinę i  wylądowania na ekranie. Prawdopodobieństwo to jest falą, a  fale interferują ze sobą tak jak w  doświadczeniu z  dwiema szczelinami. Gdy otwarte są obie szczeliny, fale prawdopodobieństwa y  mogą ze sobą interferować i  w  pewnych obszarach ekranu dawać w  efekcie zerowe prawdopodobieństwo (y  = 0). Antropomorfizujące narzekania z  poprzedniego akapitu są konsekwencją klasycznego stylu myślenia. W  świecie kwantowym nie sposób za pomocą pomiaru odpowiedzieć na pytanie: skąd elektron wie, którą szczeliną ma przejść? Nie możemy zaobserwować całej trajektorii – toru ruchu – elektronu, dlatego pytanie: „Którą szczeliną przeszedł elektron?” nie jest pytaniem operacyjnym. Zasada nieoznaczoności Heisenberga zażegnuje także i  ten impas, zwracając uwagę na to, że jeśli próbujemy badać trajektorię elektronu między wyrzutnią a  ekranem, zaburzamy jego ruch i  niweczymy cały eksperyment. Możemy znać warunki początkowe (elektron wysłany ze źródła), możemy wiedzieć, jaki jest rezultat (elektron uderza w  określone miejsce ekranu), ale – o  ile nie chcemy zniweczyć całego eksperymentu – nie możemy poznać toru, jaki przebył elektron na drodze od źródła do ekranu.
       Rozwiązanie proponowane przez mechanikę kwantową: „Nie martw się, tego nie da się zmierzyć”, jest logiczne, ale nie satysfakcjonuje większości ludzi, którzy pragną zrozumieć szczegóły otaczającego nas świata. Dla niektórych udręczonych dusz ta kwantowa niepoznawalność wciąż jest zbyt wysoką ceną. Mamy jednak ważny argument na jej obronę: jest to jedyna znana nam teoria, która działa.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach