Scientia

Avem un electron şi două fante. Proiectăm electronul către cele două fante. Acesta poate alege pe oricare dintre cele două. Ce va face? Electronul este iniţial o particulă, devine undă, trece prin ambele fante, interferează cu el însuşi, iar apoi loveşte ecranul sub forma unei particule. Ciudat, nu? Citiţi articolul pentru detalii (video inclus).

Vom examina în continuare un fenomen imposibil de explicat cu ajutorul conceptelor fizicii clasice şi care reprezintă unul dintre pilonii centrali ai mecanicii cuantice - faimosul experiment realizat iniţial de Thomas Young – experimentul cu două fante.

Pentru a înţelege acest experiment trebuie să vedem mai întâi cum se comportă materia obişnuită,  de pildă câteva mici bile. Dacă vom arunca bile de mici dimensiuni spre un perete prevăzut cu o singură fantă, vom observa cum ia naştere un model – o bandă îngustă - pe ecranul din spatele peretelui, în zona corespunzătoare locaţiei fantei. Dacă adăugăm şi o a doua fantă ne aşteptăm să apară pe ecran două fâşii exact în spatele fantelor.

Acum să vedem ce se întâmplă în cazul undelor. Acestea ajung în dreptul fantei şi suferă fenomenul de difracţie, lovind ecranul cu intensitate maximă în zona din spatele fantei. Linia luminoasă de pe ecranul din spatele peretelui simbolizează această intensitate. Este similară liniei căreia micile bile i-au dat naştere pe ecran.

Dar, când adăugăm şi a doua fantă, rezultatul se schimbă. Dacă punctul de maxim al unei unde întâlneşte punctul de minim al alteia, cele două unde se anulează reciproc. Astfel că pe ecran apar nişte franje de interferenţă. Locurile unde maximele se întâlnesc sunt caracterizate de cea mai mare intensitate a liniilor luminoase, iar acolo unde se anulează reciproc, pe ecran nu apare nimic.

Deci, când "tragem" cu particule - deci materie - prin cele două fante, se obţin două benzi pe peretele din spate. Cu unde se obţine un model de interferenţă constând din mai multe fâşii.

Să trecem la nivel cuantic. Electronul este o particulă fundamentală, o fărâmă extrem de mică de materie. Practic o bilă infinitezimală. Să trimitem un fascicul de electroni printr-o singură fantă. Se va comporta similar bilelor, pe perete apărând o singură fâşie. Deci, am înclina să credem că dacă am trimite aceste minuscule particule prin două fante, vom obţine, ca în cazul bilelor de mici dimensiuni, două benzi pe ecran.

Numai că în realitate apar franje de interferenţă! Am trimis totuşi prin fante un fascicul de electroni,  particule fundamentale, dar totuşi materie. Şi am obţinut un model de interferenţă ca în cazul undelor, nu ca în cazul bilelor folosite iniţial. Cum e posibil ca nişte particule materiale, fie ele fundamentale, să dea naştere unor franje de interferenţă ca în cazul undelor? Nu are sens...

Fizicienii au rafinat experimentul. Şi-au imaginat că poate aceste mici particule se lovesc unele de altele,  dând naştere acelui model de interferenţă. Astfel că au decis să trimită electronii unul câte unul, pe rând, către cele două fante. Astfel nu mai au cum să interfereze unul cu celălalt. Dar, după o oră de derulare a experimentului, devine vizibil acelaşi tipar de interferenţă.

Concluzia este inevitabilă. Electronul este iniţial o particulă, devine undă, trece prin ambele fante, interferează cu el însuşi pentru a lovi în final ecranul tot sub forma unei particule. Din punct de vedere matematic este şi mai ciudat. Poate trece prin ambele fante, prin niciuna, prin una dintre cele două, sau prin cealaltă. Toate aceste posibilităţi sunt în superpoziţie una cu cealaltă.

Fizicienii au fost complet zăpăciţi de fenomen. Astfel că au decis să "tragă cu coada ochiului", pentru a observa prin ce fantă trece totuşi electronul. Au prevăzut una din fante cu un dispozitiv de măsură  pentru a putea vedea prin care dintre ele trece particula, şi au reluat experimentul.

Numai că lumea cuantică este mult mai misterioasă decât şi-ar fi putut ei imagina. Când au încercat observarea fenomenului, electronul a revenit la comportamentul de particulă de materie. A dat naştere unui model cu doar două benzi şi nu unor franje de interferenţă. Simplul act al măsurării sau observării fantei prin care electronul a trecut, a avut ca efect trecerea acestuia prin doar una dintre fante, nu prin ambele.

Acest fapt a dat naştere multor întrebări. Ce este materia la nivel fundamental? Corpusculi sau unde? Şi ce fel de unde? Şi în ce fel influenţează observatorul uman tot acest fenomen? Este ca şi cum electronul "a decis să se comporte diferit", de parcă "ar conştientiza" că este observat îndeaproape. Se pare că observatorul a generat cumva "colapsul" funcţiei de undă a electronului prin simplul act al observării.

Totuşi, fizicienii au înţeles în cele din urmă că orice fel de aparat de măsură, indiferent cât de mic, va interacţiona întotdeauna cu electronul, distrugând, pe cale de consecinţă, tiparul de interferenţă.

Werner Heisenberg a propus "principiul incertitudinii", cu care putem descrie acest fenomen. "Principiul incertitudinii" poate fi formulat în termenii experimentului de faţă astfel: “este imposibil să se construiască un dispozitiv capabil să determine prin ce fantă trece electronul, care să nu deranjeze electronul suficient pentru a produce colapsul funcţiei de undă asociate acestuia, distrugând astfel tiparul de interferenţă.”

Acesta a fost momentul în care fizicienii au păşit pentru totdeauna în strania lume a incertitudinii şi bizareriilor cuantice.

Citiţi şi articolul "Thomas Young - lumina ca undă"

__________
Credit: Cassiopeia Project.
Traducerea şi adaptarea: Scientia.ro.