κβαντική φυσική -το πείραμα των δύο σχισμών, γνωστό και ως πείραμα του Yang

Το πείραμα των δύο σχισμών πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Thomas Young, το μακρινό 1803. 

Την εποχή εκείνη, ο κύριος Young το χρησιμοποίησε ως απόδειξη ότι το φως είναι κύμα και όχι σωματίδια όπως πίστευε ο Νεύτωνας.

                  

Η διάταξη του πειράματος είναι αρκετά απλή. 

Έχουμε ένα λεπτό τοίχωμα με δύο πολύ μικρές σχισμές σε κοντινή απόσταση (Ναι, το ξέρω ότι αυτό είναι λίγο ασαφές αλλά καλύτερα ας μην μπούμε σε τεχνικές λεπτομέρειες. 

Για περισσότερες πληροφορίες δείτε εδώ.) και ακριβώς απέναντι μία οθόνη η οποία καταγράφει το αποτέλεσμα του πειράματος.
Έστω λοιπόν ότι βάζουμε όλο αυτό το σύστημα μέσα στο νερό και με κάποιο τρόπο προκαλούμε κύματα πίσω από το τοίχωμα.

Αν σας μπερδεύει αυτή η απεικόνιση των κυμάτων, μην ανησυχείτε, είναι το ίδιο πράγμα με την κλασική απεικόνιση, απλά σκεφθείτε ότι βλέπετε τα κύματα από πάνω. 

Οι κύκλοι είναι οι κορυφές του κύματος και οι χώροι ανάμεσα στους κύκλους είναι τα κοίλα του κύματος.

Ας δούμε για αρχή τι συμβαίνει αν το κύμα πέσει σε ένα τοίχωμα με μία μόνο σχισμή. 

Η σχισμή λειτουργεί σαν μια καινούργια πηγή. 

Η οθόνη μπορεί να απεικονίσει την ένταση του κύματος (δηλαδή το ύψος του νερού) που πέφτει πάνω της σε κάθε σημείο ξεχωριστά και το αποτέλεσμα θα είναι όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. 

Ακριβώς στο κέντρο της σχισμής η ένταση το κύματος είναι η μεγαλύτερη δυνατή. 

Το αποτέλεσμα στην οθόνη βέβαια εξαρτάται από το εύρος της σχισμής, αλλά για τον σκοπό μας ας υποθέσουμε ότι το εύρος είναι τέτοιο ώστε να δώσει αυτή την εικόνα.

Όσο πιο σκούρο το χρώμα τόσο πιο μεγάλη η ένταση του κύματος

Αφού με τη μία σχισμή η εικόνα ήταν αυτή, με τις δύο σχισμές η εικόνα θα είναι κάτι τέτοιο, σωστά;

Όχι ακριβώς. 

Όταν δύο κύματα συναντιούνται μπορούν να συμβούν τρία πράγματα: 

Αν συναντηθούν δύο κορυφές ή δύο κοιλότητες των κυμάτων θα δημιουργήσουν μια μεγαλύτερη κορυφή ή κοιλότητα. 

Αν συναντηθεί μία κορυφή με μία κοιλότητα θα αλληλοαναιρεθούν.

Οπότε το αποτέλεσμα θα είναι κάτι τέτοιο.

Όσο πιο σκούρο το χρώμα τόσο πιο μεγάλη η ένταση του κύματος. Το λευκό σημαίνει μηδενική ένταση, δηλαδή το νερό δεν ταλαντώνεται σε αυτά τα σημεία!

Μέγιστη ένταση εκεί που οι κορυφές και οι κοιλότητες συναντιούνται, μηδενική ένταση εκεί που κορυφές και κοιλότητες αλληλοαναιρούνται. Τα κύματα λέμε πως συμβάλουν και το αποτέλεσμα ονομάζεται εικόνα συμβολής.
Τώρα θα επαναλάβουμε το πείραμα, αλλά αυτή τη φορά θα στείλουμε μικρά αντικείμενα προς την οθόνη, έστω μπίλιες, σαν κι αυτές που παίζαμε μικροί. 

Όπως είναι λογικό, το αποτέλεσμα στην οθόνη θα είναι μία γραμμή από χτυπήματα για τη μία σχισμή και δύο γραμμές για τις δύο σχισμές.

Βλέπουμε λοιπόν πως το αποτέλεσμα του πειράματος διαφέρει εντελώς αναλόγως με το αν θα χρησιμοποιήσουμε ύλη ή κύματα.
Κάποιος λοιπόν είχε τη φαεινή ιδέα να χρησιμοποιήσει ηλεκτρόνια σε αυτό το πείραμα. 

Μιας και τα ηλεκτρόνια αποτελούν μια μικροσκοπική ποσότητα ύλης, σαν πολύ, πολύ μικρές μπίλιες, η λογική λέει πως θα δώσουν το ίδιο αποτέλεσμα με αυτές. 

Και όντως, όταν εκτελούμε το πείραμα με τη μία σχισμή, το αποτέλεσμα είναι ολόιδιο: μια λεπτή γραμμή από ίχνη ηλεκτρονίων.

Όπως ήδη φαντάζεστε, το επόμενο βήμα είναι να ρίξουμε ηλεκτρόνια σε ένα τοίχωμα με δύο σχισμές. 

Και εδώ η κοινή λογική περνάει μια κρίση. 

Γιατί αντί για το αναμενόμενο αποτέλεσμα…παίρνουμε μια εικόνα συμβολής.

Τι σημαίνει εικόνα συμβολής για τα ηλεκτρόνια; 

Σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια δεν θα σχηματίσουν μόνο δύο γραμμές απέναντι από τις σχισμές αλλά πολλές γραμμές σε όλο το μήκος της οθόνης! 

Το μεγαλύτερο ποσοστό των ηλεκτρονίων θα πέσει ακριβώς στο κέντρο της οθόνης, ανάμεσα από τις δύο σχισμές του τοιχώματος. 

Το δεύτερο μεγαλύτερο ποσοστό θα πέσει σε δύο λωρίδες αριστερά και δεξιά της κεντρικής και ούτω κάθε εξής.
Ρίξαμε ηλεκτρόνια, δηλαδή μικροσκοπικά κομμάτια ύλης, και πήραμε μια εικόνα η οποία είναι χαρακτηριστική των κυμάτων.

ΠΩΣ ΓΙΝΕΤΑΙ ΑΥΤΟ;

Την ίδια απορία είχαν και οι Φυσικοί. 

Υποψιάστηκαν λοιπόν ότι στέλνοντας στο τοίχωμα μια δέσμη ηλεκτρονίων, μπορεί τα ηλεκτρόνια να συγκρούονται μεταξύ τους και γι’ αυτό να δίνουν αυτή την εικόνα στην οθόνη.

«Αν δεν φταίει αυτό τότε σίγουρα έχει να κάνει με εξωγήινους.»

Οπότε ξαναέκαναν το πείραμα, μόνο που αυτή τη φορά έστελναν τα ηλεκτρόνια ένα-ένα. 

Δυστυχώς όμως για την ψυχική τους υγεία, το αποτέλεσμα ήταν ακριβώς το ίδιο: μια εικόνα συμβολής.
Κανείς δε μπορούσε να αμφισβητήσει το αποτέλεσμα του πειράματος. 

Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονταν ως κύματα. 

Σύμφωνα με την επικρατέστερη ερμηνεία της κβαντικής φυσικής 2, αυτό σημαίνει ότι το κάθε ηλεκτρόνιο περνάει και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα, συμβάλει σαν κύμα με τον εαυτό του και τελικά καταλήγει στην οθόνη ως σωματίδιο.

Μάλλον θα σκέφτεστε ότι αυτό δεν βγάζει κανένα απολύτως νόημα. 

Γιατί λοιπόν να μην κρυφοκοιτάξουμε και να ξεκαθαρίσουμε μια και καλή από ποια από τις δύο σχισμές περνάει το κάθε ηλεκτρόνιο;
Τοποθετούμε λοιπόν δύο ανιχνευτές στις σχισμές και ξεκινάμε το πείραμα. Οι ανιχνευτές δουλεύουν όπως πρέπει και μπορούμε να δούμε πως το κάθε ηλεκτρόνιο περνάει είτε από τη μία, είτε από την άλλη σχισμή.
Τέλεια, το πρόβλημα λύθηκε! 

Αφού το κάθε ηλεκτρόνιο περνάει από μία σχισμή είναι αδύνατον να συμβάλει με τον εαυτό του και σίγουρα θα υπάρχει κάποια άλλη εξήγηση για το αποτέλεσμα στην οθόνη.
Δημιουργείται όμως ένα άλλο πρόβλημα (σιγά που θα ήταν τόσο απλό!). 

Το αποτέλεσμα στην οθόνη έχει αλλάξει. 

Για την ακρίβεια, δεν υπάρχει καμία συμβολή και τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως απλά σωματίδια. 

Ό,τι δηλαδή περιμέναμε εξ’ αρχής από μικρές μπίλιες ύλης, δύο κάθετες γραμμές ακριβώς απέναντι από τις σχισμές.

Η πράξη και μόνο της παρακολούθησης άλλαξε το αποτέλεσμα του πειράματος!

Τι είναι τελικά τα ηλεκτρόνια; 

Πως γίνεται η ύλη να έχει και κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες; 

Τι ακριβώς αναπαριστούν αυτά τα κύματα και πως γίνεται το ίδιο πείραμα να δίνει δύο εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα;
Καλώς ήλθατε στον κόσμο της Κβαντικής Φυσικής!

kathimerinifysiki.gr

http://filosofoi-tou-dromou.blogspot.com/