Hej ti mali elektronu, što nam ne kažeš odakle si?

Želim da vam pričam o jednoj od najlepših ideja za koje znam.

Radi se o fizičkom eksperimentu, što je baš fino i lepo, jer u jednom elegantnom zamahu širi našu svest primoravajući nas da shvatimo da predmeti mogu da se ponašaju na način koji je nemoguće zamisliti (ali nam je, što je izuzetno, moguće izračunati ga). To je divno, jer dovodi u pitanje temelje logike na kojima smo izgradili naše razumevanje sveta. Divno je zato što je naizgled jednostavan za shvatanje, a ipak – njegove posledice su duboko uznemirujuće. I to je divno, jer sam odbio da to prihvatim dok sam izvodio svoj eksperiment, a sećam se dok sam gledao kako mi se ruši predstava o svetu, dokse slika na mom monitoru lagano gradila.

To je bilo pre jedanaest godina. Još sam bio brucoš na koledžu, sedeći u laboratoriji za fiziku sa pogašenim svetlima, zureći u prazan ekran računara, i – iz razloga u koje sada ne bih ulazio – slušajući kompilaciju “Best of 80’s” pop-hitova.

Evo u čemu je bio štos. Na stolu ispred mene postojala je kutija sa dva tanka proreza na jednom kraju. Snimamo čestice koje ulaze u kutiju kroz ove proreze. Uradio sam eksperiment sa fotonima, odnosno ‘komadićima tj. paketićima svetlosti’, ali drugi su to uradili sa elektronima – u principu, ovo može da se izvede sa bilo kojom vrstom materije. To je čak i učinjeno sferoidnim molekulima ugljenika nalik fudbalskoj lopti u kojoj je 60 atoma ovog elementa nezamislivo krupnije u odnosu na elektrone o kojima ovde pričamo. Iz praktičnih razloga ću objekte u ovom eksperimentu nazivati elektronima, premda je ta reč u ovom kontekstu zamena za bilo kakvu materiju koja dolazi u ‘komadima’ (kvantima).

Na drugom kraju kutije je CCD kamera, koja snima udarce svake čestice. Svaki put kada čestica udari na zadnju stranu kutije (zaslon), na monitoru svog računara ugledam svetlucavu tačku.

Samo da sada budemo posebno oprezni: postavili smo eksperiment tako da postoji samo jedna čestica u kutiji u bilo kom trenutku. Sliku, ako hoćete, “jako male bejzbol loptice”, koju ubacujemo u kutiju, jednu po jednu. Muzika ’80-tih i dalje svira, a mi sedimo i čekamo.

Šta biste očekivali da vidite na drugoj strani kutije ? Pa, ako se elektroni ponašaju kao talasi, možete očekivati da vidite rubove svetlih i tamnih pruga, poput talasa u rezervoaru vode. To je zato što talasi mogu ometati jedni druge, poništavajući svoje vrhove onda kad jedan talas ispunjava “korito” (dno opsega) onog drugog, bivajući pojačani onda kada se njihovi vrhovi ‘poravnaju’ odnosno, poklope.

 

Ali elektroni nisu talasi – oni dolaze u paketima-komadima-takozvanim “kvantima”. Znam to, jer vidim da mi pristižu na zaslon samo jedan po jedan u svakom trenutku, udarajući na jedno mestu, kao kad kapi kiše padaju po suvom asfaltu. A ako su elektroni ‘komadići’ – kako, onda, možete očekivati da vidite da se gomilaju iza proreza i nigde drugde? Ukratko , trebalo bi očekivati da se ponašaju kao ‘loptice’.

I zaista, ako ovaj eksperiment izvedete sa samo jednim otvorenim prorezom, elektroni se ponašaju kao “loptice”, koje udaraju o zaslon grupisane u jedno mesto na zaslonu iza otvorenog proreza. Razumno predviđanje, dakle, da – kada započnemo eksperiment sa oba otvorena proreza, trebalo bi da na zaslonu vidimo dve grupe fotona/ elektrona – po jednu naspram svakog proreza.

Dakle, šta to elektroni čine?

Evo, pogledajte sami. Možete posmatrati elektrone kako pojedinačno nailaze jedan po jedan u ovom eksperimentu naučnika u Hitačiju 1989, a video je ubrzan za oko 30 puta.

Potreban je trenutak da shvatite koliko je ovo čudno. Nekako, na neki način, elektroni stvaraju ovaj mešoviti obrazac, interferentni obrazac svetlih i tamnih pruga. Ali, bili su odaslati tj. emitovani jedan-po-jedan, pa, šta je onda moglo da ih eventualno ometa? Ako ste zamišljali elektron kao sićušnu loptu, primorani ste da zaključite da elektron koji prolazi kroz jedan prorez nekako “nanjuši” da je drugi prorez otvoren, pa shodno tome prilagođava svoje ponašanje. Ili da nekako uspeva za zauzima oba puta i interferira samog sebe tj. “ometa se sa samim sobom”. Ovo ne bi imalo ikakvog smisla.

Pa, hajde da odemo korak unazad i pokušamo da uklopimo kockice i shvatimo šta se to desilo. Evo očiglednog pitanja koje vam je možda na umu. Razmislite o elektronu koji stiže na  monitor, pomoću kojeg pratite udaranje elektrona o zaslon. Kroz koji će prorez elektron proći?

Da li elektron prolazi kroz levi prorez?

Ne! Jer, onda kada pokrijete desni prorez, obrazac pruga na zaslonu nestaje i, umesto toga, dobijate jednu, dosadnu i nepodeljenu svetlosnu prugu.

Da li elektron prolazi kroz desni prorez?

Ne! Iz istog razloga kao i prethodni slučaj s levim prorezom: Kada pokrivate levoj prorez, umesto prugastog obrasca (fringe pattern) dobijate jednu nepodeljenu svetlosnu prugu.

Da li elektron prolazi kroz oba proreza?

Ne! Jer, ako bi to bilo istina, trebalo bi da očekujemo da vidimo elektron kao podeljen na dva dela, a jedan elektron (ili možda pola) ići će kroz svaki prorez. Ali, ako stavite detektore na oba proreza, saznaćete da se to nikada ne dešava. Uvek vidite samo jedan elektron u jednom trenutku. A on se nikada – ali nikada – ne deli na dva dela.

Da li elektron, možda, i ne prolazi kroz proreze?

Ne! Naravno da ova opcija nije moguća, i takav način razmišljanja je pomalo blesav… Ako se pokriju oba proreza, ništa se ne dešava.

U ovom trenutku verovatno razmišljate da sve ovo postaje pomalo smešno. Zašto ne možemo da pogledamo na prokleti elektron i vidimo kojim je putem prošao? Problem sa ovom idejom je u tome da gledati u nešto znači obasjati ga svetlom, a obasjati svetlom znači da se fotoni našeg osvetljenja sudaraju sa kontrolnim kontrolnim fotonima koji u eksperimentu treba da prolaze kroz prorez(e). Ako ste mali elektron, ovaj sudar sa još jednim izvorom svetla poremetiće vašu izvornu putanju kroz prorez(e) na putu za zaslon.

Pa, hej, čekaj malo. Možda bi mogli da napravimo takvu situaciju da taj sudar elektrona iz dva izvora bude stvarno nežan, tako da mnogo ne poremeti kontrolni elektron na svojoj putanji. I zaista, možete da uradite čak i ovo, ali kao što bi svetlost mogla biti još blaža (tj. sa nižim momentumom), tako bi ovo, takođe, doprinelo njihovom raspršivanju (veća talasna dužina), a vi, na kraju, ne budete u mogućnosti da kažete kroz koji je prorez elektron prošao.

Ne postoji način da ovde, kao posmatrač, trijumfujete. Bićete uvek poraženi (osim ako niste neka verzija novog Ajnštajna). Svaka šema koju možete smisliti, kako bi utvrdili kojim je putem elektron prošao, takođe će uništiti i interferentni obrazac.

Da rezimiramo: dospeli smo do jednog graničnog, nekonvencionalnog obrasca nalik treperavim “resama”, naizmeničnom sledom pruga – obrasca kojeg je izgradila jedna čestica u jednom trenutku. Ali, kada pokušate da tačno shvatite kako su te čestice dospele na zaslon, videćete da nisu uzele ni levi put, baš kao ni desni, a nisu prošle ni kroz oba istovremeno – takođe, nije da nisu imale “neki pravac”. Kako kaže profesor na MIT Allan Adams: prilično su iscrpljene sve logičke mogućnosti koje su nam stavljene na raspolaganje!

Elektron nije kao talas vode, jer – za razliku od talasa – on pogađa zaslon tačno na jednom mestu. Elektron, takođe nije ni kao loptica, jer – kada ih emitujete kroz dvostruki prorez – oni interferiraju – mešaju se, stvarajući pri tom granične obrasce sa “resama” tj nizom pruga (primećujete li ono granično područje koje između svetla i tame? To je “fringe” ili pojas “resa” – pojas “igrajućih elektrona” zahvaljujući kojima nema jasno razgraničene linije između svetla i tame; upravo je ovaj “fringe” pojas jedan od najočiglednijih dokaza da su elektroni tj. fotoni talasno-korpuskularne prirode; da su istovremeno i čestice a i talasi; da, takođe istovremeno, nisu ni jedno a ni drugo. A mi još uvek ne znamo šta je to “treće” što bi oni mogli biti). U stvari, da budemo iskreni, dosad nema zadovoljavajućih analogija koje bi nam bilo ko ponudio u cilju potpunog razjašnjenja šta je to, zapravo, elektron. Kako Allan Adams ističe u svom uvodnom predavanju o kvantnoj mehanici,

Ovi elektroni “čine nešto” o čemu upravo nikad ranije nismo mislili, nešto što nikada nismo ni sanjali, nešto za šta nemamo baš dobru reč i termin na engleskom jeziku.

Očigledno, empirijski uočeno, putem eksperimenta, elektroni imaju (neku, kakva god da je) svoju putanju kretanja, [..] način postojanja, koja nije nalik ničemu dosad zamislivom, razlikujući se od bilo čega na šta smo dosad navikli da sebi predstavljamo u glavi.

A isto čine i molekuli.

Isto čine i bakterije.

Tako čini i kreda.

Jedino što je ovo teže otkriti u tim objektima nego u elektronu.

Fizičari imaju ime za ovaj novi način postojanja. Mi to zovemo superpozicija (nadogradnja) .
Ponekad je korisno razmišljati o elektronu kao nečemu što se ponaša kao čestia, a ponekad je korisno mislti o njemu kao o talasu. Ipak, to su samo ‘jezičke konvencije’, i obe su slike nepotpune. Elektron nije ni talas ni čestica. Elektron je elektron. Isto važi i za fotone, atome, gigantske molekule, ili šta već imate. (što je objekat, teže je kod njega uočiti ovo “laviranje”, tj. “rese” – nejasne granice prelaza)

Verner Hajzenberg, jedan od tvoraca kvantne mehanike, jasno je ovo razumeo. On je 1930. napisao,

Rešenje ove teškoće je da su dve mentalne slike do kojih nas dovodi eksperiment, formiraju – jedna slika da je elektron čestica, druga da je talas – nepotpune predstave, i jedino imaju validnost analogija koje su tačne i važeće samo u ograničenom broju slučajeva. [ .. ] Očigledna dvojnost nastaje u ograničenjima našeg jezika.

Kako su nas Hajzenberg i ostali učili, iako nas naš jezik izneverava, moguće je dopreti do pravila koja pravilno predviđaju kako se male stvari ponašaju. Ta pravila predstavljaju kvantnu mehaniku. Možete naučiti ova pravila čitajući klasik pop-fizike, knjigu Ričarda Fejnmana QED, ili gledajući njegova predavanja na tu temu. Korišćenjem ovih pravila, fizičari se naokolo razbacuju praskavim ‘fensi’ rečenicama, poput one tipa “talasna funkcija elektrona je u superpoziciji kretanja kroz levi prorez, i ide kroz desni prorez”. Ove rečenice su dobro definisana matematička značenja i čine da se predviđanja slažu sa podacima. Ali ono što ovde nedostaje jeste koherentna slika koju možete držati u glavi da biste (pre svega sebi!) objasnili koju je putanju zauzeo elektron, i, štaviše, možemo biti prilično sigurni da takva slika nikada ne može postojati.

Stoga možda i ne čudi što naši mozgovi majmuna-primata, koji su evoluirali bacajući kamenje i koplja u svetu stvari koje su srednje veličine, ne mogu zamisliti ponašanje veoma malih stvari. Mi, zato do kraja i ne možemo dokučiti fiziku najkrupnijih stvari kao što su to zvezde u kosmosu, niti fiziku najsitnijih stvari, kao što su to elektroni. Ono što je iznenađujuće za mene jeste da smo – iako nismo u mogućnosti da zamislimo ovaj kvantni svet – uspeli da razradimo i shvatimo njegova pravila igre.

Reference: Ovaj post je u velikoj meri inspirisan praćenjem odličnog uvoda u kvantnu fiziku kojeg je Alan Adams pripremio za MIT OpenCourseWare. Prvo predavanje je fascinantan i često urnebesan pogled na princip superpozicije objašnjen na “ne-tehnički” način. Toplo preporučujem ga propretite – Alan je veoma zanimljiv predavač.

 

Aatish Bhatia, Wired

 

This entry was posted in Media.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s