Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Czy fale materii istnieją?

Eksperyment z dwiema szczelinami to powszechnie znane fizykom, wręcz podręcznikowe doświadczenie, które ma ukazywać bardzo osobliwą cechę materii, zwaną dualizmem falowo-korpuskularnym.
Przypomnijmy sobie pokrótce opis tego eksperymentu: pojedyncze elektrony emitowane są w kierunku płytki, w której znajdują się 2 szczeliny. Za płytką umieszczamy ekran, na który padają te elektrony, które przeszły przez szczeliny.
Okazuje się, że obraz na ekranie powstaje punkt po punkcie, co oznacza że w momencie uderzenia weń, pojedynczo wysyłane elektrony są dobrze zlokalizowanymi obiektami (cząstkami). Tutaj objawia się korpuskularna część natury elektronu.
Co jednak ciekawe, złożony z wielu punktów obraz na ekranie układa się we wzór prążków interferencyjnych, czyli są miejsca w które elektrony uderzają i są takie, których unikają. Wzór interferencyjny jest jednak charakterystyczny dla fal, które emitowane z dwóch szczelin, wygaszają się w jednych miejscach ekranu, a wzmacniają w innych.
Czym miałaby być fala w tym przypadku? Otóż postuluje się, że pojedynczy elektron, w momencie przechodzenia przez płytkę ze szczelinami, objawia swoją falową część natury (realnie istniejąca fala materii), a jako, że fala to byt rozciągły w przestrzeni, to może ona docierać w obydwu szczelin jednocześnie. Następnie, fale wtórne, które emitowane są z obydwu szczelin, interferują ze sobą, czego efektem są prążki na ekranie.
Fala materii jest w swojej interpretacji ściśle związana z prawdopodobieństwem stwierdzenia cząstki w danym obszarze przestrzeni, a więc np. w miejscu ekranu, w którym fale ze szczelin wygaszają się, nie stwierdza się żadnych elektronów.

Powyżej zarysowany obraz jest obecnie powszechnie w fizyce akceptowany i (bo) jest zgodny z paradygmatem mechaniki kwantowej (MK) - wielkiej teorii fizycznej.
Prawdziwy naukowiec musi jednak wątpić i zawsze cenić metody naukowe wyżej niż modę, wygodę czy tytuły.
Na pewno nie możemy zakwestionować takich faktów, jak istnienie obrazu złożonego z prążków i jego powstawanie punkt po punkcie. Możemy jednak zakwestionować interpretację tych faktów, nawet jeśli miałoby się to dziać kosztem naruszenia świętego paradygmatu.
Człowiek wątpi w to, co wydaje mu się niepewne lub podejrzane. Interpretacja nakazująca nam traktować elektron jako chimeryczną cząstkę, która nagle (nie wiedzieć czemu) staje się falą, by po dotarciu do ekranu objawić się znów jako cząstka, jest karkołomna i właśnie wątpliwa. Nie znamy również mechanizmu tej przemiany, który pozwoliłby na wyobrażenie sobie jak zjawisko przebiega. Jest to tajemnicze zjawisko kwantowe i te efektowne słowa mają nam wystarczyć.

Metoda naukowa zwana brzytwą Ockhama, polega na szukaniu maksymalnie oszczędnych wyjaśnień zjawisk, czyli na niemnożeniu bytów lub ich cech ponad liczbę niezbędną dla satysfakcjonujących interpretacji.
Zastanówmy się, czy możemy zastosować brzytwę Ockhama do obowiązującej w MK interpretacji eksperymentu z dwiema szczelinami.
Nasz postulat będzie brzmiał następująco:

FALE MATERII NIE ISTNIEJĄ, A CZĄSTKI SĄ ZAWSZE OBIEKTAMI LOKALIZOWALNYMI, NIEROZCIĄGŁYMI

Innymi słowy: postulujemy, że dualizm falowo-korpuskularny jest pojęciem zbędnym, a cząstki mają tylko i wyłącznie naturę korpuskularną.
Postulat ten powinien dać nam nie tylko możliwość satysfakcjonującego wyjaśnienia eksperymentu z dwiema szczelinami, ale także powinien dać naszej interpretacji tą przewagę, że umożliwi nam ona uzyskanie obrazu zjawiska (wyobrażenie sobie co się dzieje od początku do końca doświadczenia; jaki jest mechanizm zjawiska?).
Bo tego mechanika kwantowa nam nie daje...

Owa satysfakcjonująca interpretacja została podana przez polskiego fizyka - Michała Gryzińskiego. Zauważył on, że szczeliny traktowane są w mechanice kwantowej tylko i wyłącznie jako przerwy z płytce i całkowicie abstrahuje się od ich struktury. A ujęcie tej struktury jest niezbędne dla prostego wyjaśnienia zjawiska.
Potrzebne jest też ujęcie struktury elektronu. Na dzień dzisiejszy fizyka nic nie mówi nam o strukturze cząstek elementarnych, ale Gryziński przyjął hipotezę, że w elektronie oscylują ograniczone w przestrzeni pola elektryczne i magnetyczne. Oddziałują one z warstwami atomów w szczelinie w taki sposób, że elektron wylatuje ze szczeliny tylko pod wybranymi kątami, co wyjaśnia dlaczego na niektóre obszary ekranu nigdy nie padnie (prążki!).
Elektron trafia zawsze do jednej ze szczelin, a obraz interferencyjny wynika z czegoś innego niż interferencja fal materii!

Pomyślna interpretacja Gryzińskiego nie tylko usuwa problematyczne własności falowe cząstek i daje prosty obraz zjawiska. Dostajemy znacznie więcej: pomysł na model cząstki elementarnej (oscylujące, ograniczone przestrzennie pola). Hipoteza istnienia takiej struktury jest mocna, bo dzięki niej uzyskujemy prawidłowe wyjaśnienie faktów eksperymentalnych.
Myślę, że znakomitym testem dla tej hipotezy byłaby seria eksperymentów, w których wszystko pozostaje takie same (np. energia emitowanych elektronów, rozstaw i szerokość szczelin), z wyjątkiem różnic w strukturze wnętrza szczelin. Płytka w każdym eksperymentów powinna być po prostu wykonana z innego materiału lub, na przykład, być pozbawiona swoich środkowych warstw.
Mechanika kwantowa pomija strukturę szczelin, więc po cichu przewiduje, że obraz interferencyjny będzie zawsze taki sam. Interpretacja Gryzińskiego bierze pod uwagę strukturę szczelin jako mającą zasadniczy wpływ na obraz interferencyjny. Zatem, nietrudno będzie rozstrzygnąć która interpretacja jest prawdziwa, a która fałszywa.

Dla zaawansowanych lub dociekliwych:

Eksperyment z interferometrem Macha-Zehndera uważany jest za koronne doświadczenie, potwierdzające słuszność mechaniki kwantowej. Uważa się również, że tylko mechanika kwantowa potrafi dać nam pomyślną interpretację zjawiska zachodzącego w eksperymencie.
Przypomnijmy pokrótce na czym polega doświadczenie z interferometrem Macha-Zehndera. Foton emitowany jest w kierunku płytki półprzepuszczalnej, która rozdziela jego tor na dwie możliwe drogi. Na obydwu drogach umieszczone zostają zwierciadła, które odbijają coś (cokolwiek to jest), co porusza się po tych drogach i kierują to coś ponownie do płytki półprzepuszczalnej (tam dwie drogi znów się zbiegają). Druga płytka również rozdziela docierające do niej sygnały na dwie drogi, prowadzące do równoodległych od płytki detektorów.

Wynik doświadczenia: Emitowane pojedynczo fotony docierają zawsze do tego samego detektora.

Zobaczmy teraz jak interpretuje ten fakt mechanika kwantowa. Potem przyjrzymy się interpretacji alternatywnej (korpuskularnej), bo wbrew powszechnej opinii, jest ona możliwa do skonstruowania.

MECHANIKA KWANTOWA - gdyby foton był tylko cząstką, to przy pierwszej z płytek półprzepuszczalnych wybierałby jedną z możliwych dróg. Potem odbijałby się od zwierciadła i docierałby do drugiej płytki, gdzie mógłby obrać drogę albo do jednego albo do drugiego detektora. A więc mógłby być rejestrowany w jednym lub drugim detektorze, co jest sprzeczne z faktami doświadczalnymi.
Zatem, foton, gdy nie podlega naszej detekcji, musi być reprezentowany przez falę. Na pierwszej płytce półprzepuszczalnej zostaje ona rozdzielona na dwie fale związane z 1/2 prawdopodobieństwa obrania każdej z dwóch dróg. Potem fale te odbijają się od zwierciadeł, i ze względu na specjalną konstrukcję drugiej płytki, interferują pozytywnie (wzmacniają się) w jednym z detektorów i negatywnie (wygaszają się) - w drugim. Dlatego foton dociera zawsze do jednego detektora i cechy falowe są tu niezbędne.

INTERPRETACJA ALTERNATYWNA, KORPUSKULARNA - foton jest zawsze cząstką, której struktury dokładnie nie znamy. Na pierwszej płytce półprzepuszczalnej foton wybiera jedną z 2 możliwych dróg (albo się odbija od płytki albo przez nią przechodzi). Niewykluczone, że foton który odbił się od płytki ma inną strukturę niż foton, który przez nią przeszedł (inne historie). Foton, który się odbił, ma taką strukturę, że po dotarciu do drugiej płytki może tylko przez nią przejść. Foton, który przeszedł, ma taką strukturę, że po dotarciu do drugiej płytki, może się tylko od niej odbić. W konsekwencji fotony zawsze będą lądować w jednym i tym samym detektorze.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski