Dualismul unda-corpuscul

„Cei mai multi oameni doar utilizeaza acest concept si-si vad în continuare de viata lor”. Roger McLassus

Conceptul nostru de realitate se bazeaza pe experientele de zi cu zi. Dar dualitatea unda-corpuscul este atât de ciudata încât suntem obligati sa ne reanalizam cele mai obisnuite concepte.

Dualismul unda-corpuscul se refera la o proprietatea fundamentala a materiei care, la un moment dat, se comporta ca o unda, pentru ca într-un alt moment sa actioneze ca o particula.

Pentru a întelege dualitatea unda-corpuscul trebuie sa întelegem diferentele dintre particule si unde.

Cu totii suntem familiarizati cu particulele de materie, indiferent daca acestea sunt boabe de nisip, de sare, atomi, electroni etc…

Proprietatile particulelor pot fi prezentate daca ne referim, de exemplu, la o bucata de marmura. Aceasta este o roca metamorfica care ocupa la un moment dat un loc în spatiu. Daca vom lovi usor o bucata de marmura cu degetul atunci îi vom imprima acesteia o energie cinetica si astfel marmura se va deplasa. Daca aruncam în aer mai multe bucati de marmura, acestea vor cadea pe pamânt si fiecare dintre ele îsi vor transmite energia cinetica podelei de care se lovesc.

Prin contrast, undele sunt raspândite. Ca exemplu, pot fi mentionate valurile de la suprafata unui ocean sau dintr-un lac, undele sonore si undele luminoase.

Daca la un moment dat o unda este localizata în spatiu, dupa un timp aceasta se va raspândi, similar valurilor de la suprafata unui lac în care aruncam o piatra. Unda transporta o energie odata cu deplasarea sa. Spre deosebire de o particula, energia unei unde este distribuita în spatiu, deoarece unda se raspândeste.

De ce sunt undele atât de diferite de particule

În timp ce particulele se ciocnesc unele de altele si ricoseaza, undele trec unele prin altele si-si continua drumul. Undele care se suprapun pot interfera, iar în cazul în care minimul unei unde se suprapune cu maximul altei unde atunci cele doua unde se anuleaza reciproc.

Acest lucru poate fi observat atunci când o unda trece prin niste gauri apropiate dintr-un ecran. Undele se raspândesc în toate directiile si interfereaza, ceea ce înseamna ca în unele regiuni din spatiu unda dispare în timp ce în alte regiuni aceasta devine chiar mai puternica.

În imaginea alaturata se poate vedea modelul de interferenta obtinut în urma experimentului cu fanta dubla care a fost inventat de Thomas Young. Acest fenomen se numeste difractie.

Prin contrast, particulele de materie care sunt aruncate catre peretele cu fanta dubla vor trece prin una dintre acestea, iar pe ecranul aflat în spatele peretelui cu fante se vor forma doua benzi corespunzatoare celor doua directii în care s-au deplasat particulele.

Fenomenul de difractie este o proprietate binecunoscuta a undelor luminoase. Cu toate acestea, la începutul secolului al XX-lea s-a identificat o problema în ceea ce priveste teoriile undelor de lumina emise de obiectele fierbinti, cum ar fi carbunii aprinsi în foc sau lumina provenita de la Soare.

Aceasta lumina este denumita radiatia corpului negru. Teoriile anticipau întotdeauna o energie infinita pentru radiatia emisa având lungimile de unda aflate dincolo de capatul albastru al spectrului electromagnetic – catastrofa ultravioleta.

Solutia la aceasta problema a presupus ca energia undelor luminoase nu variaza în mod continuu, aceasta trebuind sa ia doar valori discrete, ca si în cazul în care radiatia ar fi compusa dintr-un numar mare de particule. În consecinta, s-a considerat ca undele luminoase actioneaza ca niste particule care au fost denumite fotoni.

Daca lumina, care a fost considerata o unda, se comporta, de asemenea, ca o particula, este posibil ca electronii si atomii, care sunt considerate particule, sa se comporte ca unde?

Pentru a se explica structura si comportamentul atomilor a fost necesar sa se presupuna ca particulele au si proprietati de unda. Daca acest lucru este adevarat, atunci o particula ar trebui sa sufere fenomenul de difractie la trecerea printr-o pereche de gauri aflate la mica distanta una de alta, la fel ca o unda.

Difractia electronilor si a atomilor

Într-adevar, experimentele au dovedit ca particulele atomice actioneaza la fel ca undele. Când trimitem electroni catre un ecran cu doua gauri apropiate si masuram distributia electronilor de cealalta parte a ecranului, nu vom observa doua pete distincte, câte una pentru fiecare gaura în parte, ci un model de difractie complet, ca cel obtinut în cazul undelor.

În acest caz avem un alt exemplu al experimentului lui Young cu fanta dubla, amintit mai sus, dar de data aceasta modelul de interferenta se datoreaza undelor de electroni. Aceste notiuni formeaza baza teoriei cuantice care este, probabil, cea mai de succes teorie pe care au conceput-o oamenii de stiinta.

Ceea ce este bizar în experimentul de difractie este ca unda de electroni nu-si depune energia pe întreaga suprafata a detectorului, ca în cazul unui val care se ciocneste de un tarm.

Energia electronului este depusa într-un punct, ca si în cazul unei particule. Deci, în timp ce electronul se propaga prin spatiu ca o unda, acesta interactioneaza într-un punct ca o particula. Aceasta caracteristica este cunoscuta sub numele de dualismul unda-corpuscul.

Particula se deplaseaza ca o unda misterioasa

Daca electronul sau fotonul se propaga ca o unda, dar îsi elibereaza energia într-un punct, ce se întâmpla cu restul undei?

Unda dispare din spatiu si nu va fi vazuta din nou! Cumva, acele parti ale undei care se afla la distanta de punctul de interactiune stiu ca energia s-a pierdut si ele dispar în mod instantaneu.

Daca acest lucru s-ar întâmpla cu valurile oceanului, atunci unul dintre surferii aflati pe val ar primi toata energia valului si în acel moment valul ar disparea în totalitate de-a lungul plajei.

Este ceea ce se întâmpla în cazul fotonilor, electronilor si chiar a atomilor. Evident, aceasta enigma i-a contrariat pe oamenii de stiinta, inclusiv pe Einstein. În cadrul masuratorilor experimentale aceasta proprietate este de obicei denumita „colapsul undei”.

O anumita incertitudine

Pe masura ce unda se propaga unde se afla particula? Ei bine, nu stim sigur. Aceasta se afla undeva într-o regiune a spatiului având o dimensiune similara cu distributia de lungimi de unda care definesc unda sa asociata. Acesta este principiul de incertitudine al lui Heisenberg.

Pentru particulele de materie întâlnite în viata de zi cu zi, precum cele de marmura, sare si nisip, lungimile de unda asociate acestora sunt atât de mici încât localizarea lor poate fi masurata cu precizie. Pentru atomi si electroni, acest lucru este mult mai dificil.

În experimentul de difractie, lungimea de unda asociata electronilor este mare, astfel încât localizarea electronului este foarte incerta. Electronul trece de fapt prin ambele fante simultan, la fel ca o unda. Ne este practic imposibil sa ne imaginam acest lucru atunci când ne gândim la electron ca la o particula, deoarece acest fapt intra în conflict cu experienta noastra de zi cu zi.

Chiar si Albert Einstein a fost preocupat de aceasta problema a locului unde se afla particula si a ajuns la concluzia ca anumite informatii lipsesc din teoria cuantica. Într-o lucrare celebra pe tema variabilelor ascunse, Einstein si colegii sai, Nathan Rosen si Boris Podolsky, au afirmat ca fie teoria cuantica este gresita, fie însasi notiunea noastra de realitate este gresita.

O serie de experimente precise si inteligente au dovedit ca teoria cuantica este corecta si ca perceptia noastra asupra realitatii este gresita (a se vedea inegalitatea lui Bell si paradoxul lui Einstein, Rosen si Podolsky).

Un comportament fantomatic

Dar aceasta constatare nu reprezinta sfârsitul povestii. Experimentele care au contrazis notiunile noastre asupra realitatii au implicat existenta a doua particule legate între ele care se comporta ca o unda unica. Masuratorile asupra uneia dintre particule afecteaza proprietatile fizice ale celeilalte particule, desi acestea se pot afla la mare distanta una de alta. Aceasta proprietate este cunoscuta sub numele de „actiunea înfricosatoare la distanta” si este o consecinta a inseparabilitatii cuantice.

Acesta este un concept foarte subtil, dar care sta la baza calculatoarelor cuantice si a criptografiei cuantice!

Ce este în neregula cu realitatea?

În acest moment, întreaga problema devine foarte dificil de imaginat. Dar nu va îngrijorati prea mult de acest lucru. Richard Feynman, laureat al Premiului Nobel si un om cu adevarat genial a spus: „Cred ca pot spune cu siguranta ca nimeni nu întelege mecanica cuantica”.

Cei mai multi oameni care lucreaza în acest domeniu doar se obisnuiesc cu conceptul si-si vad pe mai departe de viata lor, sau devin filosofi.

Si ce putem spune despre realitate?

Cred ca profesorul Feynman are ultimul cuvânt si aici atunci când afirma ca „… paradoxul este doar un conflict între realitate si ceea ce credem noi ca ar trebui sa fie realitatea”.

theconversation.com/explainer-what-is-wave-particle-duality-7414

Bogdan

Per aspera ad astra