4. Cząstka? Fala? Tak!

Jak zapewne pamiętacie z poprzednich odcinków, na początku XX wieku Fizyka znalazła się w kropce. Wiedziano, że światło ma właściwości cząstek i fal. Eksperyment Younga powtarzano wielokrotnie i zawsze dawał ten sam rezultat – na ekranie pojawiał się piękny wzór malowany przez interferujące fale. Każdy mógł to stwierdzić na własne oczy i dało się to opisać w piękny sposób przy pomocy matematyki. Jednocześnie każdy widział, iż światło zachowuje się jak cząstki – hipotezę wysuniętą przez Einsteina również potwierdzono licznymi eksperymentami. Compton wyraźnie zaobserwował, jak światło niczym strumień kul bilardowych działa z elektronami. Fizycy nie potrafili dojść w tej, nomen omen, materii do porozumienia. Fale to fale a cząstki to cząstki. Przecież nikt przy zdrowych zmysłach nie oczekuje że kropla wody będzie interferować sama z sobą lub że fale zaczną się zachowywać jak kropla drążąca dziurę w kamieniu. Jak to więc możliwe? Odpowiedź zaproponował Louis de Broglie, i gdy niedługo później potwierdzono jego hipotezę eksperymentalnie miał usłyszeć, iż “lepiej abyś tych fal nigdy nie odkrył…”. O jakie fale tu chodzi?

Louis de Broglie był francuskim fizykiem, który wybierając ścieżkę edukacji zamierzał popełnić straszliwy błąd – chciał zostać historykiem lub prawnikiem. Na szczęście zwrócił się – słusznie – ku matematyce, a później za namową brata, ku fizyce. W 1924r. w swoim doktoracie pod niewiele mówiącym tytułem “badania nad teorią kwantową” opisał swoje próby opisu odkrytego przez Einsteina “efektu fotoelektrycznego”, w którym to kwanty światła tj. fotony wybijały z powierzchni materiału elektrony. Skoro owe fotony zachowywały się jak pełnoprawne cząstki, to jak każde inne posiadały określony pęd – łatwo go wyliczyć zwyczajnie mnożąc masę ciała razy jego prędkość.

Ponieważ de Broglie zgadzał się z Einsteinem, iż światło jest w istocie strumieniem cząstek, a więc można im przypisać pęd związany z długością fali. Wystarczy podzielić stałą Plancka oznaczoną “h” przez długość owej fali. Stałą Plancka nazywamy najmniejszą możliwą porcję energii o którą coś może się zmienić – jest to kwant działania. Jak sami widzicie, jest to bardzo bardzo mało. Czyli można wprost powiedzieć iż każdy kwant światłą jest zarówno falą jak i cząstką – przy czym jest falą i cząstką w każdym momencie. Foton ma zarówno właściwości fal jak i cząstek. Fizyka po raz kolejny znalazła gładkie wyjaśnienie – de Broglie niestety nie poprzestał na fotonach i zadał pytanie czy tego rozumowania nie można odwrócić. Skoro światło miało zawierać fizyczne cząstki, które miały bez wątpienia fizyczną naturę fali, to czy nie dotyczy to przypadkiem innych cząstek np. elektronów co do których korpuskularnej natury nikt nie miał wątpliwości? Właśnie z tym jest związany trzeci z zapisanych wzorów – długość fali danego obiektu wynika z podzielenia stałej Plancka przez jego pęd a pęd to przecież iloczyn masy i prędkości. To pod pierwiastkiem to tzw. “czynnik Lorentza”, takie brzydkie pojęcie, przy pomocy którego można transformować wielkości pomiędzy różnymi układami odniesienia, co ma szczególne znaczenie dla obiektów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Na razie wystarczy że zapamiętacie iż de Broglie którego poparł Einstein zaproponował wyjaśnienie tych wszystkich dziwactw z którymi mierzyli się fizycy – cząstki mają zarówno naturę cząstki jak i fali. Dlaczego więc nie widać tego dla większych obiektów np. dla człowieka? Zwracam uwagę na to jak małą wielkością jest owe “h” – długość fali będąca wynikiem takiego dzielenia jest stanowczo zbyt mała do zaobserwowania wszystkimi znanymi nam obecnie metodami. O takich obiektach stwierdzono iż “nie ujawniają swoich falowych właściwości”. Niedługo później udało się potwierdzić tę hipotezę. Mam tu na myśli eksperyment zaliczany do “dziesięciu najpiękniejszych w dziedzinie fizyki”

Trzy lata po opublikowania hipotezy dotyczącej tego jakoby każda z cząstek miała się cieszyć ową dziwaczną korpuskularno-falową budową, dwóch amerykańskich fizyków postanowiło to sprawdzić – doświadczenie było dość proste w komorze próżniowej ostrzeliwano płytkę z niklu elektronami. Cóż – naukowcy to takie dzieci, tyle że mają bardzo drogie zabawki. Założyli, że niklowa płytka nie będzie idealnie gładka, a więc elektrony powinny się odbijać chaotycznie, nie dając żadnego konkretnego wzoru na ekranie ruchomego detektora.

fot. A. Tonomura “The Quantum World Unveiled by Electron Waves

Wraz z każdym kolejnym elektronem na ekranie ukazywał się coraz wyraźniejszy wzór, który nie dość że wskazywał na to że elektron faktycznie interferuje sam ze sobą, to jeszcze idealnie zgadzał się z wzorem jaki powstałby gdyby użyto światła o tej długości fali. Ten sam eksperyment powtarzano później wielokrotnie nie tylko dla elektronów ale również dla protonów, neutronów, całych jąder atomowych a nawet dla struktur takich jak fullereny zawierające aż 60 atomów węgla w jednej cząsteczce. Stąd tytuł tego odcinka. Można uznać że fale to takie rozsmarowane cząstki i na odwrót? Jak się okazało chwilę później – świat na swoim najniższym z znanych nam poziomów jest o wiele bardziej intrygujący, a wiele zależy od “rzutu kośćmi” i odkryć pewnego miłośnika kotów.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

One thought on “4. Cząstka? Fala? Tak!

  1. Czy przypadkiem te cztery zdjęcia, to nie obraz interferencyjny wywołany wiązką cząstek w eksperymencie z dwiema szczelinami? Tak same ze sobą chyba nie interferują w tak uporządkowany sposób. 🤔

    1

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *