ΦΩΣ: Κύμα , σωματίδιο ή και τα δύο?

Είναι το μεγαλύτερο και παλαιότερο από τα κβαντικά μυστήρια . Μας απασχολεί τουλάχιστον από την εποχή του αρχαίου Έλληνα φιλοσόφου Ευκλείδη. Πως άραγε παράγεται το φως;

Από τα αρχαία χρόνια πίστευαν ότι το φως αποτελείται από μικρά σωματίδια τα οποία κινού­νται με πολύ μεγάλη ταχύτητα και, όταν πέφτουν στο μάτι του παρατηρητή, διεγείρουν το αισθητήριο όργανο της όρασης.

Στη 'σωματιδιακή' φύση του φωτός, στηρίχτηκε ο Newton, για να διατυπώσει με βάση και τις αρχές της διατήρησης της ενέργειας και ορμής, το νόμο της ανάκλασης του φωτός.

Αργότερα, το 1865, όταν ο Maxwell  απέδειξε ότι το φως είναι εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Στα χρόνια που ακολούθησαν αναπτύχθησαν πολλές θεωρίες και σήμερα πια πιστεύουμε στη διπλή φύση του φωτός, δηλαδή ότι το φως συμπεριφέρεται ως κύμα αλλά και ως σωματίδιο, που ονομάζεται φωτόνιο.

Σε φαινόμενα όπως η συμβολή, η περίθλαση και η πόλωση εκδηλώνεται η κυματική φύση του φωτός (ηλεκτρομαγνητικό κύμα), ενώ σε φαινόμενα που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη (απορρόφηση - εκπομπή), όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, εκδηλώνεται η σωματιδιακή φύση του φωτός. Τα φαινόμενα της ανάκλασης και της διάθλασης ερμηνεύονται και με τις δύο φύσεις του.

Το φαινόμενο κατά το οποίο το φως συμπεριφέρεται άλλοτε σαν κύμα και άλλοτε σαν σωματίδιο είναι γνωστό ως κυματοσωματιδιακός δυϊσμός (wave–particle duality). Υποατομικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια επιδεικνύουν και αυτά την ίδια συμπεριφορά με το φως. Σας παρουσιάζουμε όσο μπορούμε πιο απλά κάποιες από τις αποδείξεις που ως τώρα χρησιμοποιήθηκαν για τον δυισμό αυτό.

Το πείραμα της διπλής σχισμής

Το σχήμα μας επιτρέπει να δούμε μια κάτοψη του περίφημου πειράματος των δύο σχισμών , που επινόησε ο Γιάνγκ 200 χρόνια πριν. Το φώς που εκπέμπεται από μια σημειακή πηγή πέφτει σε μια πρώτη οθόνη που φέρει δύο σχισμές και σχηματίζει μια εικόνα στη δεύτερη οθόνη. Η εικόνα που σχηματίζεται έχει τη μορφή φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων, που οναμάζονται κροσσοί συμβολής (βλ. την τρισδιάστατη εικόνα, πάνω ) και αποκαλύπτουν την κυματική φύση του φωτός. Όμως , ισχύει επίσης  ότι το φώς αποτελείται από σωματίδια (τα φωτόνια) . Περιορίζοντας την εκπομπή του φωτός , μπορούμε να κάνουμε να περνά από τη συσκευή ένα μόνο φωτόνιο κάθε φορά , το οποίο θα πέφτει , στη συνέχεια, σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο της οθόνης απεικόνισης. Μόλις μαζευτούν πολλά τέτοια σημεία, αρχίζουμε να διακρίνουμε ένα πιτσιλωτό μοτίβο συμβολής. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και τα επιμέρους φωτόνια πρέπει να "γνωρίζουν" την ύπαρξη των δύο σχισμών, παρόλο που υποτίθεται ότι κάθε επιμέρους φωτόνιο πρέπει να περάσει είτε από τη μία είτε από την άλλη. Εαν ο επιστήμονας που διεξάγει το πείραμα θελήσει σκόπιμα να δει από ποιά σχισμή περνάει το κάθε φωτόνιο, το μοτίβο συμβολής δε θα σχηματιστεί , με αποτέλεσμα να χαθεί η κυματική φύση του φωτός: το φως θα συμπεριφέρεται αμιγώς ως ροή σωματιδίων

Το πείραμα της καθυστερημένης επιλογής.

Ο Τζων Γουήλερ σκέφτηκε μια παραλλαγή του πειράματος που παρουσιάζεται στο παραπάνω σχήμα. Αντικατέστησε την οθόνη απεικόνισης με μια γρίλια (εδώ εμφανίζεται με κάθετες περσίδες) και τοποθέτησε από πίσω της ένα ζεύγος τηλεσκοπίων , το καθένα από τα οποία στραμμένος προς μια σχισμή . Μόλις πλησιάσει ένα φωτόνιο τη γρίλια ο πειραματιστής μπορεί να επιλέξει είτε να την αφήσει κλειστή , οπότε θα έχει το αποτέλεσμα του αρχικού περιάματος του Γιάνγκ (τους κροσσούς συμβολής όπως είναι στο αρχικό σχήμα), είτε να την ανοίξει , επιτρέποντας στα τηλεσκόπια να καταγράψουν από ποια σχισμή πέρασε το φωτόνιο. Πως μπορεί όμως , το φωτόνιο να "γνωρίζει" , την ώρα που περνά από την πρώτη οθόνη, ποιά θα είναι η απόφαση του πειραματιστή?

Η έμπνευση της στιγμής του πειραματιστή επηρεάζει τη φύση της πραγματικότητας (εν προκειμένω , αν το φωτόνιο είχε σωματιδιακή ή κυματική μορφή) στο παρελθόν.

 Το πείραμα της καθυστερημένης επιλογής σε κοσμική κλίμακα

Θεωρητικά, το παραπάνω πείραμα μπορεί να διεξαχθεί και στο πεδίο της αστρονομίας. Το φως που εκπέμπει ένα μακρινό κβάζαρ , αφού καμπυλωθεί από τη βαρυτική στρέβλωση του χώρου που προκαλεί ένας γαλαξίας, συνεχίζει να κατευθύνεται προς τη Γη. Τα φωτόνια μπορούν να φτάσουν στη γη από δύο εναλλακτικά μονοπάτια, τα οποία αντιστοιχούν στις δύο σχισμές του πρωτότυπου πειράματος του Γιάνγκ

 

Η παραδοξότητα του πειράματος της καθυστερημένης επιλογής έγκειται στο εξής: Παρόλο που η κυματική ή σωματιδιακή φύση του φωτονίου καθορίζεται από την επιλογή του πειραματιστή , η παρατήρηση αυτή καθ αυτή συνδέεται άμεσα με το παρελθόν, ενδεχομένως με το πολύ μακρινό παρελθόν. Αυτό σημαίνει ότι η επιλογή που κάνει ο παρατηρητής σήμερα συν-διαμορφώνει τη φύση που είχε το σωματίδιο (κυματική ή σωματιδιακή ) στο παρελθόν, ενδεχομένως και στο πολύ μακρινό ! Αυτό δεν είναι ακριβώς το ίδιο με την προς τα πίσω αιτιότητα (η οποία θα σήμαινε ότι ο πειραματιστής μπορεί να στείλει πληροφορίες στο παρελθόν) αναμφίβολα όμως αφήνει μια έντονη γεύση τελολογίας!!

Ας το δούμε λίγο απλοικά μέσα από ένα animation :

 Πηγές: Βιβλίο Συμπαντικό τζακ ποτ - Πωλ Ντέιβις , Δίκτυο,

by Αντικλείδι , http://antikleidi.wordpress.com

ΠΗΓΗ

ΑΠΟΚΑΛΥΨΗ ΤΟ ΕΝΑΤΟ ΚΥΜΑ