Kvantinė fizika: Dvigubo plyšio eksperimentas

Šis eksperimentas atrodytų yra labai paprastas, tačiau būtent jis pradėjo \“kvantinę\“ revoliuciją ir privertė žmones perrašyti pusę fizikos vadovėlių.

Prieš ekraną pastatoma plokštelė (švininė), kurioje, per patį vidurį, išpjautas mažas plyšelis ir ją apšaudome dažų kamuoliukais (tokiais kaip dažasvydyje tik mažais). Nesunku suvokti, kad ekrane atsiras vienas ištiškusių dažų kamuoliukų stulpelis, nes į jį pataikys tik kamuoliukai neatsitrenkę į šviną. Dabar pamerkime visą sistemą į vandenį (iki pusės) ir prieš užtvarą įmeskime kokį nors objektą (kad ir akmenuką). Vandens raibuliai sklis apskritimu. Už tarpo užtvaroje jie vėl išsiplės į apskritimą ir ekrane paliks raštą su tankiausia zona viduryje tolygiai silpnėjančia į kraštus. Dabar darykime tokį patį eksperimentą su dviem plyšeliais plokštelėje. Apšaudžius naujają plokštelę dažų kamuoliukais ekrane matysime du stulpelius.

Tačiau bangos per šiuos plyšius skils ypatingai. Kaip ir pirmu atveju iš kiekvieno plyšelio raibuliai vėl skils pusapskritimiu, tačiau jų susikirtimo vietose išsiskirs naujos (sudėtinės) bangos, vyks bangų interferencija. Ekrane matysis kelios stipresnių bangų sritys ir tarp jų esantys juodi plotai (mažai paveiktos sritys). Na suprasti eksperimento rezultatus judant vandens bangoms sudėtinga, todėl nagrinėkite diagramas.

Dabar padarykime šitą eksperimentą su elektronais. Apšaudant elektronų pluoštu plokštelę su vienu plyšiu ekrane gautas stulpelis. Taip ir turėtų būti, juk elektronai – dalelės (tarsi maži kamuoliukai). Tačiau apšaudant plokštelę su dviem plyšiais gaunamas interferencinis raštas! Pirmiausia mokslininkai manė, kad kaip ir vanduo sudarytas iš daug vandens molekulių, elektronai skriedami didelėm grupėm (na tiesą sakant ištisu pluoštu) praskrieja pro plyšius ir pradeda vieni į kitus trankytis taip sukurdami interferenciją, todėl pabandyta elektronus šaudyti po vieną. Po ilgo laiko tarpo pradėjo ryškėti tas pats interferencinis raštas!

Kaip tai įmanoma? Mokslininkai galėjo tai paaiškinti tik tuo, kad elektronas skriedamas kažkaip pasidalina į dvi daleles, praskrieja abu plyšelius ir interferencijuojasi pats su savimi. Kad ištirtų šį mistišką reiškinį mokslininkai pastatė detektorių šalia plokštės. Ir rezultatai buvo stulbinantys. Stebint elektrono elgseną jis veikė visiškai normaliai ir paliko ekrane du stulpelius. Įžymusis mokslininkas Šriodingeris pasakė, kad stebėdami elektroną mes pakeitėme eksperimentą (juk stebėjimas ar bet koks kitas matavimas tai apšaudymas šviesos dalelėmis – fotonais), todėl ir rezultatai skyrėsi. Taip buvo suprasta, kad visos fundamentaliosios dalelės pasižymi dualumu (angl. Wave-particle duality – bangos-dalelės dualumas) ir vienomis salygomis veikia kaip banga, kitomis kaip dalelė.

Pamėginsiu paaiškinti šią savoką ir aprašytus eksperimento rezultatus. Mums įprasta, kad daiktai juda iš taško A į tašką B viena trajektorija (pvz. mestas į viršų kamuolkiukas priklausomai nuo metimo jėgos ir kampo nukris žemyn paraboline trajektorija už tam tikro atstumo), tačiau kaip įrodė Šriodingeris, kvantų lygmenyje Niutono mechanika netinkama dalelių aprašymui. Eksperimente skriejantis elektronas nuo emitoriaus iki ekrano skrenda VISOMIS ĮMANOMOMIS TRAJEKTORIJOMIS, tai reiškia, kad tas pats elektronas pralekia ir pro vieną, ir pro kitą plyšį ir kartu pro nei vieną iš jų ir abu iš karto. O interferencinis vaizdas ekrane yra to paties elektrono skirtingų trajektorijų susikirtimo padarinys. Taigi pavienis elektronas (ar kita dalelė) judėdama iš taško A į B juda ne kaip materealusis taškas, o kaip galimybinė banga, tarsi skirtingai pasiskirstęs debesis (tankiausiose jo vietose elektronas bus dažniausiai, o rečiausiose – rečiausiai). Vėl pastebėkite, kad tai nereiškia jog elektronas bus tik vienoje iš tų \“debesėlio\“ zonų, jis bus kvantinėje superpozicijoje taigi nereaguodamas su kitomis dalelėmis bus daugelyje vietų vienu metu. Dabar nesunkiai galime paaiškinti, kodėl stebėdami elektroną (apšaudydami jį fotonais) gauname įprastus rezultatus. Iš daugybės elektrono ir į jį lekenčio fotono trajektorijų yra tik labai ribotas skaičius tų kur jie susikerta, bet šis įvykis neišvengiamas. Taigi darydami stebėjimą mes sumažiname elektrono pozicijų skaičių iki 1 (arba jam artimo).

Jums gali kilti klausimas, kodėl mūsų dydžių pasaulyje nematome tokių reiškinių. Į jį atsakyti labai paprasta. Mūsų pasaulio objektai (makroobjektai) pavyzdžiui žmonės, akmenys, kamuoliai ir kita yra supersudėtingos fundamentaliųjų dalelių sistemos ir yra tik viena galima trajektorija nukristi mestam kamuoliui sudarytam iš milijardų dalelių, nes visos jų trajektorijos viena kitą anuliuoja, kol lieka vienintelė tinkanti visom dalelėm. Todėl šie reiškiniai visiškai nepanašūs į mūsų pasaulio reiškinius, tačiau būtent taip jis veikia atomų lygmenyje. Žinodami šią nepaprastą dalelių savybę, toliau nagrinėsime keisčiausius reiškinius, sužinosime, kad dalelės gali pereiti kiaurai \“sienas\“, teleportuotis ir t.t.

Straipsnio autorius: Xpoint.

Parašykite komentarą

Brukalų kiekiui sumažinti šis tinklalapis naudoja Akismet. Sužinokite, kaip apdorojami Jūsų komentarų duomenys.