In fizica cuantica pana si oamenii se comporta ca undele

Auzim des: „Este o unda, sau este o particula?” Mai mult ca niciodata, o astfel de intrebare simpla a dobandit un raspuns atat de complicat pe taramul cuantic. Raspunsul vine, din nefericire, depinzand de cum punem intrebarea. Daca luminam prin doua fante, lumina se comporta ca o unda. Daca luminam printr-o placa de metal conductoare, se comporta ca si particule. In conditiile favorabile putem masura comportamentele de unde sau particule ale fotonilor – cuantele fundamentale ale luminii – confirmandu-ne natura bizar de duala a realitatii.

Aceasta natura dubla a realitatii nu se limiteaza doar la lumina, ci s-a observat ca se aplica tuturor particulelor cuantice: electroni, protoni, neutroni, chiar si grupuri semnificativ de mari de atomi. De fapt, prin definitie, putem cuantifica exact cat de „ondulata” este o particula sau un set de particule. Chiar si toata fiinta umana, in conditii potrivite, poate actiona ca unde cuantice. (Desi, mult noroc la masuratoare!) Iata stiinta din spatele a ceea ce inseamna toate acestea.

In aceasta ilustratie, lumina care trece printr-o prisma dispersiva se separa in culori clar definite. Este ceea ce se intampla atunci cand multi fotoni cu energie medie spre inalta lovesc un cristal. Daca am atinge aceasta prisma cu un singur foton si spatiul ar fi discret, cristalul ar putea manifesta doar un numar discret si finit de trepte spatiale, dar doar un singur foton ar fi reflectat sau ar transmis.

Dezbaterea cu privire la faptul ca lumina se comporta ca unda sau particula este inca din secolul al XVII-lea, cand doua figuri titanice din istoria fizicii au luat parti opuse la aceasta. Pe de o parte, Isaac Newton a prezentat o teorie „corpusculara” a luminii, in care s-a comportat la fel cum o faceau particulele: miscandu-se in linii drepte (ca si raze) si refractand, reflectand si purtand momentul mecanic asa cum ar face orice tip de material. Newton a fost capabil sa prezica multe fenomene in acest fel si a putut explica modul in care lumina alba era compusa din multe alte culori.

Pe de alta parte, Christiaan Huygens a favorizat teoria undelor luminii, remarcand caracteristici precum interferenta si difractia, care apartin in mod inerent undelor. Lucrarea lui Huygens asupra undelor nu ar putea explica unele dintre fenomenele pe care teoria corpusculara a lui Newton le-ar putea, si invers. Lucrurile au inceput sa devina mai interesante la inceputul anilor 1800, cu toate ca experimentele noi au inceput sa dezvaluie cu adevarat modalitatile in care lumina era intrinsec asemanatoare undelor.

Proprietatile de unda ale luminii, ipotezate initial de Christiaan Huygens, au devenit si mai bine intelese datorita experimentelor celor doua fante ale lui Thomas Young, unde efectele de interferenta constructive si distructive s-au aratat in mod semnificativ.

Daca luam un rezervor plin cu apa si cream valuri in el, apoi punem o bariera cu doua „fante” care permit valurilor dintr-o parte sa treaca in cealalta, vom observa ca ondularile intervin intre ele. Pe alocuri, ondulari se vor adauga celorlalte, creand ondulari de marime mai mare decat ar permite una singura. In alte locuri, ondularile se anuleaza reciproc, lasand apa perfect plana chiar si pe masura ce trec ondularile. Aceasta combinatie de model de interferenta – cu alternante de interferenta constructiva (aditiva) si distructiva (subtractiva) – este un semn distinctiv al comportamentului undelor.

Acelasi model de unda apare pentru lumina, asa cum a remarcat prima data Thomas Young intr-o serie de experimente efectuate in urma cu peste 200 de ani. Apoi, oamenii de stiinta au inceput sa descopere unele dintre proprietatile de unda mai contraintuitive ale luminii, cum ar fi cele dintr-un experiment in care lumina monocromatica straluceste in jurul unei sfere, creand nu numai un model asemanator undelor in jurul sferei, ci si un mic varf central in sfera, in centrul zonei umbrite.

Rezultatele unui experiment in care s-a folosit lumina laser in jurul unui obiect sferic, cu datele optice reale. Observati validarea extraordinara a teoriei undelor lui Fresnel de predictie a luminii: faptul ca un punct central luminos ar aparea in umbra aruncata de sfera, verificand predictia „absurda” a teoriei undelor luminii. Experimentul original a fost realizat de Francois Arago.

Mai tarziu, in anii 1800, teoria lui Maxwell despre electromagnetism ne-a permis sa obtinem o forma de radiatie fara sarcina: o unda electromagnetica care circula cu viteza luminii. In cele din urma, unda de lumina a avut o pozitie matematica in care a fost pur si simplu o consecinta a electricitatii si a magnetismului, un rezultat inevitabil al unei teorii auto-coerente. Einstein a fost capabil sa conceapa si sa stabileasca teoria speciala a relativitatii. Natura undelor luminii a fost o realitate fundamentala a Universului.

Dar nu a fost doar universala. Lumina se comporta, de asemenea, ca o particula cuantica in multe feluri importante.

• Energia sa este cuantificata in pachete individuale numiti fotoni, unde fiecare foton contine o cantitate specifica de energie.
• Fotonii superiori unei anumite energii pot ioniza electronii din afara atomilor; fotonii inferiori acelei energii, indiferent de intensitatea luminii respective, nu pot.
• Mai este posibil si sa fie creati si sa fie trimiti fotoni individuali, la un moment dat, prin orice aparat experimental pe care il putem inventa.

Acele dezvoltari si realizari, atunci cand sunt sintetizate impreuna, duc in mod argumentat catre cea mai uluitoare demonstratie ale unei „ciudatenii” cuantice din lume.

Experimentele cu fante duble efectuate cu lumina produc modele de interferenta, asa cum se intampla cu orice unda pe care v-o puteti imagina. Proprietatile diferitelor culori luminoase se intelege ca se datoreaza diferitelor lungimi de unda ale luminii monocromatice de diferite culori. Culorile rosii au lungimi de unda mai lungi, energii mai mici si modele de interferente mai raspandite; culorile mai deschise au lungimi de unda mai scurte, energii mai mari si maxime si minime mai stranse in modelul de interferenta.

Daca luati un foton si il propulsati spre un ecran care are doua fante in el. Puteti masura locul in care fotonul respectiv loveste un ecran la o distanta semnificativa de cealalta parte. Daca incepeti sa mai adaugati niste fotoni, unul cate unul, veti incepe sa vedeti ca incepe sa apara un model: un model de interferenta. Acelasi model, care apare atunci cand am avea un fascicul continuu de lumina – unde am presupune ca multi fotoni diferiti interfereaza unul cu celalalt –, apare atunci cand filmam fotoni unul cate unul prin acest aparat. Cumva, fotonii individuali intervin cu ei insisi.

In mod normal, conversatiile se desfasoara in jurul acestui experiment vorbind despre diferitele configuratii experimentale pe care le putem face pentru a incerca sa masuram (sau nu) prin care fanta trece fotonul, distrugand sau mentinand modelul de interferenta in acest timp. Aceasta discutie este o parte vitala a explorarii naturii duale a cuantei, deoarece se comporta atat ca unde cat si ca particule, in functie de modul in care interactionezi cu ele. Dar putem face altceva la fel de fascinant: inlocuim fotonii din experiment cu particule masive de materie.

Electronii prezinta proprietati de unda, la fel ca fotonii, si pot fi folositi pentru a construi imagini sau dimensiuni de particule de proba la fel de bine ca si lumina. (Si, in unele cazuri, pot face chiar o treaba superioara.) Aceasta natura asemanatoare undelor se extinde asupra tuturor particulelor de materie, chiar si a particulelor compuse si, teoretic, a celor macroscopice.

Gandul vostru initial ar putea spune in felul urmator: „bine, fotonii pot actiona atat ca unde cat si ca particule, dar asta se datoreaza faptului ca fotonii au o cantitate de radiatii masiva. Au o lungime de unda, ceea ce explica comportamentul asemanator undelor, dar au si o anumita cantitate de energie pe care o transporta, ceea ce explica comportamentul asemanator particulelor.” Si, prin urmare, s-ar putea sa va asteptati ca aceste particule de materie sa actioneze intotdeauna ca particule, deoarece acestea au masa, ele transporta energie si, bine, sunt literalmente definite ca particule!

Dar la inceputul anilor 1920, fizicianul Louis de Broglie a avut o idee diferita. In cazul fotonilor, a mentionat el, fiecare cuanta are o energie si un impuls, care sunt legate de constanta lui Planck, viteza luminii si frecventa si lungimea de unda a fiecarui foton. Fiecare cantitate de materie are, de asemenea, o energie si un impuls si, de asemenea, experimenteaza aceleasi valori ale constantei lui Planck si a vitezei luminii. Prin rearanjarea termenilor in acelasi mod in care au fost notate pentru fotoni, de Broglie a fost capabil sa defineasca o lungime de unda atat pentru fotoni cat si pentru particule de materie: lungimea de unda este pur si simplu constanta lui Planck, divizata de impulsul particulei.

Atunci cand electronii sunt propulsati catre o tinta, se vor difracta intr-un unghi. Masurand impulsurile electronilor, ne permite sa determinat daca comportamentul lor este de unda sau particula, iar in 1927 experimentul lui Davisson-Germer a fost primul care a confirmat teoria „materiei-unde” a lui de Broglie.

Definitiile matematice sunt frumoase, desigur, insa adevarata testare a ideilor din fizica se afla intotdeauna in experimente si observari: putem compara predictiile noastre cu realitatea universala insasi. In 1927, Clinton Davisson si Lester Germer au propulsat electroni catre o tinta care producea difractie fotonica, rezultand acelasi model de difractie si pentru electroni, asa cum au prezis. Mai contemporan cu acestia, George Paget a propulsat electroni spre o folie subtire de metal, producand tot modele de difractie. Cumva, acesti electroni, in mod definitiv sub forma de particule materiale, se comportau de asemenea ca si unde.

Experimente ulterioare au revelat de asemenea acest comportament de tip unda pentru multe forme de materie, inclusiv pentru forme care sunt in mod semnificativ mai complexe decat electronii punctiformi. Particulele compozit, precum protonii si neutronii, afiseaza un comportament de unda de asemenea. Atomii neutri, care pot fi raciti la temperaturi nanokelvine, au demonstrat lungimile de unda ale lui de Broglie care sunt mai mari de un micron, cam de zece mii de ori mai mari decat atomul insusi. Chiar si moleculele care au vreo 2000 de atomi au demonstrat ca se comporta si au proprietati de unda.

In 2019, oamenii de stiinta au obtinut superpozitia cuantica a celei mai mari molecule existente: care avea mai mult de 2000 de atomi individuali si o masa totala de mai mult de 25000 de unitati. In acest caz, ilustratia arata delocalizarea moleculelor masive folosite in experiment.

In cele mai multe din circumstante, impulsul unei anumite particule (sau sistem de particule) este suficient de mare ca lungimea efectiva a undei asociata asupra-i este mult prea mica pentru a fi masurata. O particula de praf care se misca cu doar un milimetru pe secunda are o lungime de unda de aproximativ 10^-21 metri: cam de vreo 100 de ori mai mica decat cea mai mica scalare testata de om la Large Hadron Collider.

Pentru un om adult, a se misca cu o asemenea viteza, ar insemna o lungime de unda minuscula de 10^-32 metri, sau de doar cateva sute de ori mai mare decat constanta lui Planck: marime in care fizica deja nu mai are sens. Dar chiar si in cazul in care are o masa macroscopica enorma – aproximativ 10²⁸ atomi constituie corpul unei fiinte umane –, lungimea de unda cuantica asociata unei forme umane intregi este destul de mare ca sa aiba coerenta fizica. De fapt, pentru majoritatea particulelor reale, doar doua lucruri determina lungimea de unda:

1. masa in repaus;
2. viteza de miscare;

Undele materiale, cel putin in teorie, pot fi folosite in amplificarea sau incetinirea anumitor semnale, care pot fi fructificate de un numar destul de interesant de aplicatii, inclusiv de potentialul de randare a anumitor obiecte care sunt efectiv invizibile. Aceasta este o posibila abordare catre construire unui dispozitiv de camuflaj in timp real.

In general, acest lucru inseamna ca exista doua lucruri pe care le putem face sa determinam particulele materiale ca sa se comporte ca unde. In primul rand sa reducem masa particulei la cat mai mica posibil, deoarece particulele cu masa redusa vor avea lungimi de unda de Broglie mai mari, si astfel comportamente cuantice de dimensiuni mai mari (si mai usor de observat). Al doilea lucru este sa reducem viteza particulelor cu care lucram. Vitezele mai mici, obtinute, desigur, la temperaturi reduse, se traduc in valori de impuls mai mici, ceea ce rezulta lungimi de unda de Broglie mai mari si, bineinteles, comportamente cuantice de categorii mai mari.

Aceasta proprietate a materiei ne deschide drumul catre o zona fascinanta pentru un soi de tehnologie foarte fezabila: optica atomica. In timp ce marea parte a proiectiei pe care o realizam este facuta strict optic – exemplu lumina –, putem folosi raze atomice de viteze incete ca sa observam structurile nanoscalare fara sa le distorsionam in modul in care le distorsioneaza fotonii cu energii inalte. Incepand cu 2020, exista un intreg subdomeniu al fizicii materiei condensate dedicat studierii atomilor ultrareci si aplicarii comportamentului lor de unda.

Inventarea in 2009 a microscopului care a observat gazul cuantic a permis ca in 2015 sa fie masurati atomii fermionici pe o textura cuantica, ceea ce putea conduce catre descoperiri cu privire la superconductivitate si alte aplicatii practice.

Sunt multe activitati stiintifice care par mai mult ezoterice ca majoritatea dintre noi ne dam cu greu seama cum ne-ar putea fi de folos. In lumea de astazi, multe din stradaniile fundamentale – pentru a atinge noi inaltimi in descoperirile energiilor particulelor, pentru noi profunzimi in astrofizica, pentru noi coborari ale temperaturilor practice – par a fi pure exercitii intelectuale. Si totusi, multe dintre descoperirile tehnologice pe care le luam de-a gata astazi erau de neprevazut de catre aceia care au pus fundamentele stiintifice.

Heinrich Hertz, care a creat si emis undele radio pentru prima oara, credea ca doar a confirmat teoria electromagnetismului lui Maxwell. Eistein nu si-a imaginat niciodata ca relativitatea ar fi putut permite dezvoltarea sistemelor GPS. Fondatorii mecanicii cuantice nu au luat niciodata in considerare avansurile in sistemele de compilare sau inventarea tranzistorului. Dar astazi, suntem absolut siguri ca cu cat suntem mai aproape de zero absolut, cu atat mai mult intregul domeniu al opticii atomice si nano-opticii va avansa. Poate ca, intr-o zi, vom putea chiar sa masuram efectele cuantice ale oamenilor. Este o descoperire de frontiera, insa sa fie pentru folosul umanitatii!