1η παραξενιά της κβαντομηχανικής: Το φως είναι σωματίδιο ή κύμα;

Το παλαιότερο και μεγαλύτερο από τα κβαντικά μυστήρια αφορά ένα ζήτημα που έχει απασχολήσει τα μεγαλύτερα μυαλά, τουλάχιστον από την εποχή του αρχαίου Έλληνα φιλοσόφου Ευκλείδη: από τι αποτελείται το φως; Στην ιστορία έχει ανατραπεί πολλές φορές η απάντηση για αυτό το θέμα.

Ο Ισαάκ Νεύτων σκέφτηκε ότι το φως ήταν μικροσκοπικά σωματίδια, που όμως καμιά σχέση δεν είχαν με τα σημερινά φωτόνια. Όλοι οι σύγχρονοί του δεν εντυπωσιάστηκαν και στο κλασικό πείραμα κατά τις αρχές της...
δεκαετίας του 1800 ο Thomas Young έδειξε πώς συμπεριφέρεται μια ακτίνα του φωτός, καθώς περνάει μέσα από δύο στενές σχισμές τοποθετημένες κοντά η μία με την άλλη. Παράγοντας έτσι ένα μοτίβο συμβολής σε μια οθόνη πίσω ακριβώς τις σχισμές σαν να ήταν το φως κύμα.

Έτσι λοιπόν τι είναι το φως, σωματίδιο ή κύμα; Η κβαντομηχανική, που καθιέρωσε τη φήμη της μέσα σε εικονομαχίες, έδωσε σύντομα απάντηση αφού ήρθε στο προσκήνιο της επιστήμης στις αρχές του 20ου αιώνα. Το φως είναι τόσο σωματίδιο όσο και κύμα.

Εν συνεχεία βρέθηκε πως ένα απλό κινούμενο σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να διαθλάται και να συμβάλει με τον εαυτό του, σαν να ήταν κύμα και σωματίδιο ταυτόχρονα, και είτε το πιστεύετε είτε όχι, ένα αντικείμενο μεγάλο όσο κι ένα αυτοκίνητο έχει χαρακτηριστικά κύματος, καθώς κινείται κατά μήκος του δρόμου.

Αυτή η αποκάλυψη ήρθε με την υποβολή της διδακτορικής διατριβής του πρωτοπόρου της κβαντικής φυσικής Louis de Broglie το 1924. Αυτός έδειξε ότι περιγράφοντας τα κινούμενα σωματίδια σαν κύματα, θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί αυτά είχαν διακριτά, κβαντισμένα επίπεδα ενέργειας και όχι συνεχή, όπως προβλέπεται από την κλασσική φυσική.

Ο De Broglie κατ’αρχήν υπέθεσε ότι αυτό ήταν απλά μια μαθηματική αφαίρεση, αλλά η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου φαίνεται να ήταν πραγματικό πέρα ως πέρας.

Το κλασικό πείραμα συμβολής του Young έχει αναπαραχθεί όχι μόνο με φως αλλά και με ηλεκτρόνια και τα κάθε λογής άλλα σωματίδια. Δεν το έχουμε ακόμη καταφέρει με ένα κινούμενο αυτοκίνητο, που σύμφωνα με τη σχέση De Broglie το μήκος κύματος του είναι περίπου 10^-38 μέτρα, γιατί για να το κάνουμε να συμπεριφέρεται σαν κύμα (κάνοντας συμβολή ή διάθλαση) θα σημαίνει να δημιουργηθούν σχισμές σε τέτοια κλίμακα, που είναι πέρα ​​από τις δυνατότητες της μηχανικής μας.

Το πείραμα αυτό έχει γίνει όμως με ένα φουλερένιο (buckyball) – ένα μόριο από 60 άτομα άνθρακα σε σχήμα μιας μπάλας που, με περίπου διάμετρο ενός νανομέτρου, είναι αρκετά μεγάλο για να το δούμε κάτω από ένα μικροσκόπιο.

Μόνο που μας αφήνει ένα θεμελιώδες ερώτημα: πώς μπορούν τα πράγματα να είναι κύματα και σωματίδια κατά την ίδια στιγμή; Ίσως επειδή δεν είναι τίποτα από αυτά τα δύο, λέει ο Markus Arndt του Πανεπιστημίου της Βιέννης, ο οποίος έκανε τα πειράματα με φουλερένια το 1999.

Αυτό που εμείς ονομάζουμε ηλεκτρόνια ή φουλερένιο μπορεί στο τέλος τέλος, να μην είναι τίποτα παραπάνω παρά ένα κλικ σε έναν ανιχνευτή, ή στο μυαλό μας, όταν τα φωτόνια χτυπήσουν τον αμφιβληστροειδή μας. "Κύματα και σωματίδια είναι στη συνέχεια απλά κατασκευάσματα του νου μας για τη διευκόλυνση της καθημερινής κουβέντας”, συμπληρώνει ο Markus Arndt.

Πηγή: New Scientist