Μια νέα ματιά σε ένα κλασσικό πείραμα

Πηγή: PhysicsWeb, Μάρτιος 2005

Φυσικοί στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ έχουν εκτελέσει μια καινούργια εκδοχή του πειράματος των δύο σχισμών με ηλεκτρόνια, που δείχνει την κβαντική συμβολή. Στην κλασσική εκδοχή του πειράματος, ηλεκτρόνια περνούν μέσα από μια μάσκα η οποία έχει δύο σχισμές και παράγουν ένα σχηματισμό φωτεινών και σκοτεινών κροσσών συμβολής πάνω σε μια οθόνη. Τώρα ο Gerhard Paulus του πανεπιστημίου  A&M του Texas, και οι συνεργάτες του στο Βερολίνο, Το Μόναχο, Το Σαράγιεβο και τη Βιέννη παρατήρησαν ένα σχηματισμό συμβολής με ηλεκτρόνια που περνούν μέσα από μια διπλή σχισμή, η οποία όμως βρίσκεται στον χρόνο και όχι στο χώρο. Μελέτησαν δηλαδή το αποτέλεσμα της αποβολής των ηλεκτρονίων από ένα άτομο με τη βοήθεια ενός παλμού λέιζερ, σε μια ή δύο δυνατές χρονικές στιγμές.  

Το πείραμα των δύο σχισμών εκτελέστηκε για πρώτη φορά με φως από τον Thomas Young πριν από 200 περίπου χρόνια. Ο σχηματισμός των κροσσών μπορεί να εξηγηθεί με τη συμβολή των κυμάτων που περνάνε μέσα από τις δύο σχισμές. Όταν οι κορυφές των δύο κυμάτων συμπίπτουν στο ίδιο σημείο της οθόνης, η συμβολή είναι ενισχυτική και το αποτέλεσμα είναι ένας φωτεινός κροσσός. Όταν όμως η κορυφή του ενός κύματος συμπίπτει με την κοιλάδα του άλλου κύματος, το αποτέλεσμα είναι αποσβεστική συμβολή και η εμφάνιση ενός σκοτεινού κροσσού

Η απόσταση μεταξύ των κροσσών εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός και την απόσταση των σχισμών. Παρόμοιοι κροσσοί συμβολής έχουν παρατηρηθεί επίσης και με ηλεκτρόνια, με άτομα και με μόρια, όπου η απόσταση των κροσσών εξαρτάται από το μήκος κύματος De Broglie των σωματιδίων αυτών. Τα πειράματα έχουν δείξει επίσης ότι έχουμε συμβολή ακόμη και όταν περνάει μόνο ένα σωματίδιο από κάθε σχισμή κάθε φορά, και ότι ο σχηματισμός συμβολής εξαφανίζεται αν προσπαθήσουμε με κατάλληλο πείραμα να μάθουμε από ποια σχισμή πέρασε το σωματίδιο. Σήμερα κατανοούμε τη διαδικασία αυτή με όρους της συμβολής των δύο δυνατών διαδρομών μέσω των σχισμών, αντί να θεωρούμε τη συμβολή κάποιων κυμάτων ή των ιδίων των σωματιδίων. Αν δηλαδή γνωρίζουμε "από ποιο δρόμο" πέρασε το σωματίδιο μέσα από τις σχισμές, δεν βλέπουμε συμβολή και αντίστροφα.  
 

Το τελευταίο από τα πειράματα των δύο σχισμών που εκτελέστηκε, διαφέρει ριζικά από τα προηγούμενα, γιατί οι σχισμές υπάρχουν στον χρόνο και όχι στον χώρο, καθώς επίσης και γιατί ο σχηματισμός συμβολής εμφανίζεται όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή παρασταθεί σαν συνάρτηση της ενέργειάς τους μάλλον αντί της θέσης όπου χτυπάνε πάνω στην οθόνη. Η εργασία έγινε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης σε συνεργασία με φυσικούς από το Ινστιτούτο Max Born του Βερολίνου, το Ινστιτούτο Max Planck για την κβαντική οπτική του Μονάχου και το πανεπιστήμιο του Sarajevo. 

O Paulus και οι συνεργάτες του εστίασαν μια ακολουθία παλμών από ένα λέιζερ με ζαφείρι, σ' ένα θάλαμο που περιείχε αέριο από άτομα αργού. Οι παλμοί ήταν τόσο σύντομοι - μόλις 5 femtoseconds - ώστε ο καθένας τους περιείχε μόνο λίγες εναλλαγές στο ηλεκτρικό πεδίο του. 

Η ομάδα μπόρεσε να ελέγξει την έξοδο του λέιζερ, ώστε όλοι οι παλμοί να είναι όμοιοι. Οι ερευνητές μπορούσαν για παράδειγμα να είναι σίγουροι ότι κάθε παλμός περιείχε δύο μόνο μέγιστα ηλεκτρικού πεδίου (δηλαδή δύο κορυφές με πολύ μεγάλη θετική τιμή) και ένα ελάχιστο (μια κορυφή με πολύ μεγάλη αρνητική τιμή). Υπήρχε μια μικρή πιθανότητα ώστε ένα άτομο να ιονιστεί με το ένα ή το άλλο από τα μέγιστα, κι έτσι έπαιζαν το ρόλο των σχισμών. Το ηλεκτρόνιο που πρόκυπτε από τον ιονισμό επιταχυνόταν προς ένα ανιχνευτή. Αν το άτομο ιονιζόταν από το ελάχιστο του παλμού, το ηλεκτρόνιο κατευθυνόταν προς την αντίθετη κατεύθυνση προς ένα δεύτερο ανιχνευτή. 

Η ομάδα κατέγραψε τους χρόνους άφιξης των ηλεκτρονίων και στους δύο ανιχνευτές και έκανε την γραφική παράσταση του αριθμού των ηλεκτρονίων σαν συνάρτηση της ενέργειας. Οι ερευνητές παρατήρησαν κροσσούς συμβολής στον πρώτο ανιχνευτή, διότι ήταν αδύνατο να γνωρίζουν αν ένα ηλεκτρόνιο που καταμετρούσε ο ανιχνευτής παραγόταν από το πρώτο ή το δεύτερο μέγιστο του παλμού. 

Στον δεύτερο ανιχνευτή δεν υπήρχε σχηματισμός συμβολής γιατί όλα τα ηλεκτρόνια παράγονταν συγχρόνως κατά το ελάχιστο του παλμού. Όταν όμως η φάση του λέιζερ άλλαζε ώστε να υπάρχει ένα μόνο μέγιστο και δύο ελάχιστα, κροσσοί συμβολής σχηματίζονταν στον δεύτερο ανιχνευτή και όχι στον πρώτο. "εξαρτάται από το αν έχουμε πλήρη πληροφορία για τη χρονική στιγμή που παράχθηκε το κάθε ηλεκτρόνιο" λέει ο Paulus. "εξαρτάται από την κατεύθυνση που το βλέπουμε να έρχεται.".  

Άλλοι φυσικοί εντυπωσιάστηκαν από τη δουλειά αυτή. "Το πείραμα αυτό θα πρέπει να μπει σε κάθε εγχειρίδιο κβαντομηχανικής" λέει ο Wolfgang Schleich, ένας φυσικός ειδικός για τα κβαντικά φαινόμενα στο πανεπιστήμιο της Ulm στη Γερμανία. ΄"Σίγουρα πάντως θα το βάλω στο δικό μου βιβλίο." 

Double-slit experimentsΤο πείραμα των δύο σχισμών: Στο κλασσικό πείραμα των δύο σχισμών(στο αριστερό τμήμα της εικόνας), εμφανίζονται φαινόμενα συμβολής επί της οθόνης (κάτω αριστερά), όταν κάποιο φως περνάει από ένα ζεύγος παράλληλων σχισμών που βρίσκονται σε μια αδιαφανή μάσκα.

Αν το φως περνάει από μία μόνο σχισμή, δεν παρατηρούμε σχηματισμό συμβολής(δεξιά οθόνη). Στο πείραμα διπλής σχισμής με διάρκεια attosecond (δεξιό τμήμα), ένας πολύ σύντομος παλμός λέιζερ εστιάζεται πάνω σε αέριο από άτομα αργού, τα οποία μερικές φορές ιονίζονται από τα μέγιστα των εντάσεων του ηλεκτρικού πεδίου των παλμών(κόκκινη γραμμή.) 

Το ηλεκτρόνιο που ελευθερώνεται, επιταχύνεται στη συνέχεια προς τον ένα από τους δύο ανιχνευτές. Η συμβολή παρατηρείται από τον ανιχνευτή στ' αριστερά γιατί δεν γνωρίζουμε αν το ηλεκτρόνιο ελευθερώθηκε από το άτομο με την πρώτη ή την δεύτερη κορυφή του λέιζερ. Η συμβολή δεν παρατηρείται από τον ανιχνευτή στα δεξιά γιατί υπήρχε μία μόνο κορυφή που θα 
μπορούσε να έχει ελευθερώσει το ηλεκτρόνιο.


Το πείραμα της διπλής σχισμής του Young εφαρμόζεται και στη συμβολή μεμονωμένων ηλεκτρονίων. 

Ούτε ο Νεύτωνας ούτε ο Young ήταν τελείως σωστοί στις απόψεις τους για το φως.  Το φως δεν είναι απλά φτιαγμένο από σωματίδια ούτε και μπορεί να περιγραφτεί καθαρά σαν κύμα. Στα πρώτα 5 χρόνια του 20ου αιώνα ο Max Planck και ύστερα ο Albert Einstein έδειξαν αντίστοιχα ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται σε πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Άλλα πειράματα όμως συνέχισαν να πιστοποιούν ότι το φως έχει και κυματική συμπεριφορά. 

Έπρεπε να αναπτυχθεί η κβαντική θεωρία κατά τις επόμενες δεκαετίες, για να συμβιβάσει και τις δύο απόψεις. Η κβαντική θεωρία έδειξε ότι τα φωτόνια και άλλα υποατομικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια κλπ. εκδηλώνουν δύο διαφορετικές φύσεις. Είναι δηλαδή και σωματίδια και κύματα. 

Για να εξηγήσουν την ιδέα, τόσο στους άλλους όσο και στους ίδιους, οι φυσικοί συχνά χρησιμοποίησαν νοητά πειράματα, στα οποία η διαδικασία της διπλής σχισμής με το φως όπως την πραγματοποίησε ο Young, επαναλήφθηκε με μια δέσμη ηλεκτρονίων αντί για φως. Υπακούοντας τους νόμους της κβαντομηχανικής, η δέσμη των ηλεκτρονίων χωρίζεται στα δύο, και οι διαχωρισμένες δέσμες συμβάλλουν μεταξύ τους, δημιουργώντας τα ίδια είδη σχηματισμών φωτός και σκότους όπως και το φως. Τα σωματίδια με άλλα λόγια συμπεριφέρονται ως κύματα. 

Σύμφωνα με ένα άρθρο του περιοδικού Physics World, μόλις το 1961 κάποιος ονόματι Claus Jonsson στο Tubingen εκτέλεσε πραγματικά το πείραμα. Έως τότε όλοι πίστευαν την αλήθεια του πειράματος και έτσι το πείραμα αυτό απορροφήθηκε ανώνυμα μέσα στην ιστορία της επιστήμης. 

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Τα 10 πιο όμορφα επιστημονικά πειράματα

Home