Scientia

Este lumina undă ori particulă? Iată o întrebare care şi astăzi naşte discuţii aprinse printre pasionaţii de fizică. În urmă cu 200 de ani Thomas Young, un om de ştiinţă englez, folosind un montaj experimental simplu, dar extrem de ingenios,  demonstra că lumina are o natură ondulatorie.

Experimentul lui Thomas Young

Acum 200 de ani omul de ştiinţă englez Thomas Young (1773-1829) a demonstrat că lumina are caracteristicile unei unde folosind un montaj experimental extrem de simplu, asemenea celui din figura de mai jos.

Un fascicul de lumină monocromatică provenind de la o sursă de lumină întâlneşte mai întâi un ecran prevăzut cu o singură fantă, pentru ca ulterior lumina care trece prin acea fantă să întâlnească un al doilea ecran prevăzut cu două fante înguste, paralele. Interesant şi hotărâtor pentru concluziile pe care Young avea să le tragă, este faptul că lumina care trece de al doilea obstacol dă naştere pe un al treilea ecran unor franje de interferenţă, nişte fâşii luminoase şi, respectiv, întunecate.

O paralelă cu undele produse pe suprafaţa unei ape stătătoare

Explicaţia apariţiei fenomenului de interferenţă şi a franjelor corespunzătoare este chiar natura de undă a luminii monocromatice. Lumina circulă prin atmosferă la fel cum apa creează mici valuri pe suprafaţa lacurilor. Undele de la nivelul celor două fante cu care este prevăzut al doilea ecran interferează în momentul în care se întâlnesc. Dacă cele două unde sunt în fază (regiunile cu amplitudine maximă a undei coincid  în timp şi spaţiu şi, deci, are loc fenomenul de interferenţă constructivă) dau naştere unei lumini mai puternice, iar dacă sunt în opoziţie de fază ( maximele întâlnesc minimele şi are loc o interferenţă distructivă) acestea se anulează reciproc, apărând astfel fâşiile întunecate, exact ca în cazul interferenţei undelor de pe suprafaţa unei ape stătătoare.

Faptul că punând laolaltă două raze de lumină se poate obţine întuneric a reprezentat o revelaţie pentru oamenii de ştiinţă ai secolului XIX, deloc familiarizaţi cu natura şi caracteristicile undelor electromagnetice, aşa cum este cazul acum, la început de secol XXI.

La vremea respectivă experimentul lui Thomas Young a fost suficient pentru a convinge comunitatea ştiinţifică de faptul că lumina se deplasează asemenea unei unde, lucru susţinut anterior la nivel teoretic de către Huygens în  a sa teorie despre natura ondulatorie a luminii, care postula şi existenţa unui mediu de propagare, numit eter. Câteva experimente efectuate în secolul XIX, în mod special faimosul experiment al lui Michelson şi Morley, au încercat detectarea eterului şi a efectelor sale, dar au eşuat.

Efectul fotoelectric. Natura corpusculară a luminii revine în atenţie.

Începutul secolului XX a fost marcat de descoperirea efectului fotoelectric şi explicarea sa prin prisma naturii cuantice a undelor electromagnetice de către Einstein, moment în care natura corpusculară a luminii a revenit în atenţia oamenilor de ştiinţă. A rămas însă întrebarea: dacă privim lumina ca fiind formată din particule cuantificabile de energie, de unde caracteristicile sale de undă? Dacă un număr impresionant de atomi de apă pot genera un comportament de undă pe suprafaţa unui lac, poate că există o explicaţie asemănătoare şi pentru lumină şi componentele sale, fotonii.

Ce se întâmplă dacă emitem un singur foton?

S-a mers cu experimentele până la construirea unor surse de lumină care puteau emite câte un foton succesiv, iar surprinderea a fost maximă văzând că efectele experimentului iniţial al lui Young puteau fi observate chiar şi folosindu-se un montaj care trimitea prin fantele cu care erau prevăzute ecranele un singur foton. Rezultatul era, pe de o parte, o confirmare a teoriei care susţinea natura de undă a luminii, dar, în acelaşi timp, genera foarte multă confuzie. În acest caz fotonii erau emişi individual. Aparent, interferenţa era de neconceput, pentru că un foton nu putea trece decât printr-o fantă la un moment dat. Deci, ce genera franjele de interferenţă? Cine cu cine interferează?

Dualitatea undă-particulă şi bizareriile lumii cuantice

Singura teorie care a putut descrie la nivel teoretic cele ce se întâmplau de fapt  este mecanica cuantică, folosind o perspectivă nouă care se folosea de dualitatea undă-particulă în explicarea naturii luminii. Un foton are atât caracteristicile unui corpuscul, aşa cum Einstein arătase cu al său efect fotoelectric, dar se comportă şi asemenea unei unde, aşa cum experimentul lui Young în versiunea de secol XX vine să arate.

Cât despre răspunsul la întrebarea privind motivul pentru care apar franjele de interferenţă atunci când se emite un singur foton (experimentul a fost efectuat ulterior, iar rezultatele au fost identice, chiar şi atunci când au fost folosiţi electroni ori atomi în locul fotonilor), multe ipoteze au fost formulate până în prezent, dar până şi cei mai mari fizicieni ai secolului XX, în frunte cu celebrul Richard Feynman, s-au văzut în incapacitatea de a formula o explicaţie completă, coerentă şi în concordanţă cu modul în care noi, oamenii, percepem şi înţelegem lumea.