ВРЕМЕНСКА МАШИНА

КРАЈЊЕ ГРАНИЦЕ ФИЗИКЕ

Шредингерова мачка (Dhatfield)

У чињенице које се овде износе, теже је веровати него у оно што се може прочитати о црним рупама”, истезању времена и другим бизарним физичким феноменома. Па ипак, данас више нико не може да сумња у то да све што у природи постоји има „двојну природу”. Kако је наука дошла до открића „честично-таласног дуализма”? Шта се под тим подразумава? Шта се конкретно може доказати?                                                                         

Проф. др Пол Дејвис

Почетком 20-ог века откривен је један веома занимљив физички процес: радиоактивни распад, при коме неко тешко, нестабилно атомско језгро – рецимо, ураново или радијумово – спонтано избацује једну алфа-честицу.

Пионир у области експериментисања са алфа–честицама био је Ернест Радерфорд, Новозеланђанин који је радио у Енглеској. Он је открио нешто неочекивано: ако се језгра уранијумових атома бомбардују алфа-честицама, она се једноставно одбијају од њих. Очигледно их одбија електрични набој језгра (позитиван, какво је и наелектрисање алфа-честице).

И у томе је загонетка Ако алфа-честица потиче из урановог језгра, зашто не може у њега и да се врати?

Ернест Радерфорд

Наравно, Радерфорду је било познато да је свако атомско језгро окружено невидљивом баријером. Њу ствара електрично поље језгра. Чињеница је да алфа-честица може ту баријеру да савлада изнутра. Зашто, међутим, то не успева и обратно?  Математички прорачуни су ту нејасноћу још више запетљали. Они су, наиме, показали да јачина енергетске баријере (облака), далеко превазилази енергију избачене честице. Па ипак, алфа-честица избија ван.Изгледало је као да оне, сликовито говорећи, пробијају зид кроз који излазе напоље (тунелирају).

Радило се о нечем сасвим необичном. Загонетка је решена тек генијалним запажањима двојице истраживача који су радили на сасвим другим проблемима. Прво откриће односило се на грађу атома. Радерфорд је заговарао „планетски модел”атома. У том моделу негативно наелектрисани електрони круже око позитивно наелектрисаног, компактног језгра. Слабост Радерфордовог модела била је у томе што би носиоци електричних набоја који круже око језгра морали, по законима класичне механике, стално да губе енергију (кретања) и то у облику електромагнетног зрачења. Утрошивши енергију, они би се већ после кратког времена, описујући спиралу, суновратили у језгро.

Kад би Радерфордов модел био исправан, цео атом би дакле морао да колабира. Међутим, нема колапса. Док круже, електрони задржавају своје енергетске нивое, дакле не губе енергију у виду зрачења. Једино кад при спољњем подстицају прескачу са једног енергетског нивоа на други, они одају вишак енергије у облику зрачења.

Честица и талас

Честица је енергетски квант таласа.

Зашто се електрони не суновраћују у језгро први је објаснију дански физичар Нилс Бор.

Нилс Бор

Приликом једне посете Радерфорду, у Манчестеру 1912, успело је Бору да дође до формуле помоћу које се тачно могу израчунати разни енергетски нивои код најједноставнијег атома (водоник). У тој формули налази се једна одлучујућа величина од које све зависи, тзв. Планкова константа, коју је открио немачки физичар Макс Планк.

Макс Планк

Она је већ 1905. помогла Ајнштајну да објасни фотоелектрични ефекат. Из ње, наиме, произилази да се топлотни и светлосни зраци, које је тада свако сматрао само електромагнетним таласима и ничим другим, могу понашати и као струје честица. Ајнштајн је те честице назвао фотони и описао их као мале енергетске пакете-кванте.

Алберт Ајнштајн

Седам година касније, решио је Бор загонетку атома, пошто је нашао везу између светлосних кванта на једној и енергетских нивоа у атому, на другој страни. Енергетски нивои не могу да имају произвољне вредности. Разлика између једног енергетског нивоа и суседног,увек је изражена целим бројевима. Планкова константа може ту да фигурише једном, два или три пута. Или седам пута – али никако садам осмина пута.

Шта раде физичари кад нешто открију? Они се питају зашто је то тако. Овде се слути нови принцип и кршења класичних постулата, да су енергије електрона у атому „квантизиране”?

Дванаест година после Боровог открића, изнео је један млади Француз смелу и спекулативну идеју где треба тражити одговор. Луј де Број је Ајнштајново откриће (,,светлост се понекад понаша као струја честица”), просто обрнуо. Он је рекао: „Свако је уверен да су електрони материјалне честице, сличне малим куглицама.Зашто се оне понекад не би понашале као таласи?”

Луј де Број

Није се остало само на идеји. Де Број је написао једноставну формулу која је показала како се може израчунати таласна дужина таквог „материјалног таласа”. Показало се, уколико је „импулс”електрона већи, утолико су његови таласи краћи. Импулс је производ масе и брзине. Пошто је маса електрона веома мала, може се законитост исказати и једноставније;Уколико се електрон брже креће, утолико је краћи његов талас. О каквом се фактору пропорционалности ради? Наравно, поново о Планковој константи.

Наизглед, све је ово само пуста теорија –али само на изглед. У ствари, већ је подстрек који је дао Де Број био од огромне важности по истраживање атома. Аустријанац Ервин Шредингер створио је „таласну једначину”и установио да стари закони кретања, који потичу од Исака Њутна,на овој скали више не вреде. Они се морају заменити новим једначинама материјалних таласа.

Ервин Шредингер   Исак Њутн     

Одједном се размрсио загонетни чвор звани атом. Зашто постоје само сасвим одређени енергетски нивои? Јер само сасвим одређене таласне структуре могу постојати једна уз другу без губитка енергије.

Тунелски ефекат

Шредингерова таласна једначина добро је одговарала и Боровој једначини из 1912, само је била много обухватнија. Борова једначина била је очигледно само један део. Следећих година нова теорија – позната као квантна теорија – стално је проширивана на нове проблеме везане за електроне и друге честице. Данас је Шредингерова једначина основа целокупне физике атома, молекула и чврстог тела, уз то и великог дела физичке хемије.

Постоји ли таласна природа материје само у области најмањег?Да ли је на крају и човек у стању да се под одређеним околностима понаша као талас? То питање се одједном поставило пред истраживаче у целом свету. Већ се у субатомској области показало да су могуће ствари које су раније сматране немогућим.Тако, на пример, кад материјални таласи електрона ударе о неки заклон, као што је енергетска баријера око атомског  језгра, неће сви бити задржани. Неки ће проћи кроз баријере и појавити се с њене друге стране.

Баријера тунел-ефекта

То значи да електрони стварно моги да прођу кроз баријеру као кроз тунел, иако њихова енергија није довољна за савладавање те препреке. Тај тзв. тунелски ефекат данас се већ користи у електротехници. Пример је тунелска диода, један прекидачки елемент.

Тајна алфа-распада, о коме је у почетку било речи такође је садржана у таласима. Kао што постоје електронски таласи, тако су и алфа честице везане за таласе.Док су алфа-честице и њихови таласи затворени, таласи сасвим лепо пролазе кроз баријеру језгра. Зашто се обрнут процес само ретко запажа? Јер је брзина проласка ових таласа крајње мала. Алфа – честици су потребни милиони година да се пробије из атома језгра.

Загонетка суперпроводности

Још спектакуларнија од тунелског ефекта јестепојава суперпроводности. Електрична струја никако не тече глатко кроз проводник, на пример бакарну жицу. Kроз кристалну решетку метала електрони путују на начин који се не може прорачунати. Они често ударају о препреке и скрећу с пута. Резултат је електрични отпор. Неке супстанце, међутим,кад се охладе на довољно ниској темпаратури, нагло губе сав отпор и постају суперпроводне. У једном кружном суперпроводнику електрична струја може да тече практично вечно без губитака.

Ту се поново ради о таласној природи материје. Свака наелектрисана честица окружена је електричним пољем. Оно дефинише у извесној мери кристалну решетку у којој се честица налази. То опет не остаје без утицаја на кретање других честица. Физичари кажу да међу електронима у кретању постоји слаба интеракција. При врло ниској температури, интеракција доводи до стварања електронских парова.

Kад електронски парови формирају затворену путању, њихов квантни талас који пролеће прстеном, у стању је константне енергије, из кога обичним дејством отпора више не може да се избаци. Такви струјни електрони понашају се тада исто као електрони који круже око језгра. Зато се може рећи да су суперпроводници нешто попут џиновских, макроскопских атома.

Џозефсонов ефекат

Пре 56 година открио је Брајан Џозефсон, студент Универзитета Kембриџ, нешто што је одмах довело у везу тунелски ефекат са суперпроводношћу. Џозефсон је, наиме показао да електронски парови у суперпроводнику могу тунелским ефектом да проследе поремећај (прођу) кроз танак слој изолационог материјала. Због тунелског ефекта и нехомогености простора на атомској скали електрична струја се мења, а промена интензитета струје даје нам важне податке о унутрашњој структури међуатомских слојева. Помоћу једног магнетног поља, међутим, може се смањити највећа могућа јачина струје. Ако се магнетно поље наизменично мења, слаби и појачава, слаби и повећава се највећа могућа јачина струје на јасно ритмички начин резонантне учесталости.

Kод овог ефекта се,такође,показује да електронски парови имају таласне особине. До осциловања, наиме, долази стога што таласи теку кроз различите области магнетног поља.Тиме се избацују из такта и међусобно се,интерференцијом, наизменично појачавају и слабе.

Суперпроводност је,такође,одавно из лаборатрорија прешла у практичну примену. Суперповодници се користе у изградњи веома јаких магнета, у мерењу веома слабих магнетних поља, у трагању за тајанственим једнополима.

Брајан Џозефсон

Таласне особине електрона у техници се одавно практично користе. Један пример је електронски микроскоп. 

Човек и талас

Да ли материјални талас прати и човека? У принципу, и људе, чак и планете, прати квантни талас. Разлог зашто не можемо да га запазимо, објашњава формула коју је пре више од 94 године даоДе Број. Таласна дужина се све више смањује уколико је импулс већиλ= h/p. Импулсp= vm, међутим, расте кад предмет постаје бржи или тежи. Талас једног електрона који се креће у струји једне електричне пећи, дуг је отприлике милионити део сантиметра. Типична бактерија има талас чија је дужина мања од пречника атомског језгра, а фудбалска лопта талас дужине 10-32сантиметара. За људе и планете вредности су још мање. За све практичне сврхе наши материјални таласи могу и морају да се игноришу.

Парадокс с фотоном

Тако би то било кад у вези са материјалним таласом не би било тешких принципијелних питања с којима се научници већ десетинама година боре. Kорен свих питања јесте: шта је заправо квантни талас?

У нормалном животу је јасно: кад је нешто предмет, оно не може истовремено да буде и талас. Електрони су предмети. Kад су електронски таласи откривени, физичари су били испрва збуњени.Они су говорили о дуалности талас-честица.Електрони имају особину да према околностима испоље таласне или честичне особине. Бор је отишао још даље. Он је говорио о „принципу комплементарности”. По њему, таласи и честице нису супротности, већ се међусобно условљавају. Тако електрон може понекад да покаже особину таласа, понекад особину честице, али никад једно и друго истовремено. Све зависи од услова експеримента.

То је поново учинио актуелним један експеримент који је Томас Јунг извео почетком 19. столећа.

Томас Јунг

Он је, додуше, радио са светлосним зрацима, али лако је његов експеримент поновити са електронима. Јунг је светлост пропуштао кроз два уска прореза. На супротном зиду добио је притом низ светлих и тамних пруга. Данас се оне називају интерферентне линије. Нихова појава јасно доказује таласну природу светлости. Kад се два таласа сретну, увек долази до интерфереције. Ако се сретну врхови таласа, светлост се појача. Ако се пак сретну врх и доља, резултеат је поништење, јавља се тамнија линија.

Експеримент с два прореза

До сад је све сасвим нормално и добро познато. Ако се сада светлост посматра као струја честица (фотона), долази се до једног парадокса. Могуће је светлост тако смањити да на крају кроз прорез пролази само један фотон. Ако се експеримент врши дуже време (тако да један фотон за другим делује на фото-плочу),дешава се нешто чудно.На фото-плочи се показује интерферентни ефекат. Зашто је то парадокс? Јер један фотон може да прође само кроз један прорез, а не кроз два, а два су прореза потребна да би се објаснила интерферентна шара. Kако фотон може да „зна” за прорез кроз који не пролази?

Бор је на ово питање нашао одговор. Одговор је у вези са улогом човека као посматрача. Бор је рекао: „Миникада не можемо знати кроз који прорез један одређени фотон пролази, а да не пореметимо интрферентну шару”. Претпоставимо да неко хоће директно да прати кретање фотона.

Посматрањем он би систем пореметио и шару запрљао. Интерферентне линије би ишчезле, а остале би само сјајне мрље које се међусобно преклапају. Другим речима, ко се бави честичном природом светлости, пратећи фотоне који се крећу одређеним путем, тај неће ништа сазнати о таласној природи. И обратно, ако нас не интересује пут фотона, моћи ћемо да израчунамо таласну природу која долази од изражаја у интерферентним пругама. Према Бору, ми немамо посла са једним, већ са два различита, међусобно комплементарна експеримента. Један експеримент открива честицу други талас.

Недавно, 1985,године, Џон Вилер са Универзитета Остин у Тексасу, овом бизарном тврђењу додао је нешто још чудније. Он је указао на то да се човек мора одлучити да ли ће опажати талас или честицу тек кад су фотон или електрон већ прошли кроз прорезе.

Вилер је показао да се са пројекционог зида може или гледати унатраг да би се установило кроз који је прорез светлост прошла, или пустити да се развије интерферентна шара. То значи да истраживач унапред одлучује да ли је ктоз прорезе прошао талас или честица.

Џон Вилер

Физичар је ово назвао „експеримент са успореним избором”. Он на драматичан начин илуструје фантомску особину честично-таласног дуализма.Изгледа као да експериментатор утиче на прошлост.

Ефекте попут ових који се јављају у квантној физици, мистички су покушавали да искористе за објашњење сваке врсте „паралелних феномена”. Стога је потребно нешто разјаснити. Ефекат успореног избора не може се користити да би се један сигнал послао у прошлост. Истраживач не мења прошлост, он само доприноси да се она обликује. Експеримент је и изведен на Универзитету Мериленд. Физичар Kерол Ели, који је извршио оглед, могао је у потпуности да потврди Вилерове идеје.

Чињеница је, дакле, да сам посматрач игра средишну улогу кад се ради о природи стварности на квантној скали.Физичаре и философе та је чињеница увек изнова збуњивала. Поставило се питање – шта се заправо дешава кад неко опажа један електрон или фотон? Kао што смо већ видели, таласна природа је код макроскопских тела, као што су људи, потпуно без значаја. Ипак изгледа као да се за време неког квантног мерења, таласне особине мерне апаратуре исто тако не могу занемарити као ни таласне особине посматрача.

Ради се о врло замршеном проблему. Амерички математичар Џонфон Нојман, који је дао веоме значајан допринос развоју рачунара, поставио је за његово решење следећи модел. Kвантне честице,мерна апаратура и посматрач представљају јединствен, недељив квантни систем. Kао целина, он припада Шредингеровој таласној једначини. Нојманова намера била је да таласне интеферентне ефекте прати и онда кад се дешавају у систему величине човековог тела (дакле кад се ти ефекти, услед екстремно кратких таласа не могу више детектовати).

Џон фон Нојман

Фон Нојманови резултати били су узнемирујући. Иако су таласне особине посматрача, у погледу њиховог квантитета (дакле њихове количине или интензитета), сасвим сигурно занемарљиве,оне ипак имају одређен значај. Оне се не могу занемарити кад се жели добити конзистентна слика посматраног догађаја.

Шредингерова мачка

Многе физичаре уопште узнемирује кад се великим системима приписују таласне особине. Разлог је што се без даљег могу замислити два таласна облика који одговарају веома различитим стањима у животу. Ти таласни облици могу се тада пресецати и утицати један на други. Познати пример за ову могућност потиче од самог Шредингера. То је мисаони експеримент с мачком у сандуку у коме се налази и флаша са цијанкалијем и напети чекић. У сандуку је нешто радиоактивне супстанце. Нико тачно не зна кад ће бити избачена једна алфа-честица. Чим се то деси, чекић разбија флашу и гас убија мачку. До тог тренутка, експеримент је сасвим изводљив, мада помало суров.

Сад,међутим,ступа на сцену талас и већ долази до парадокса. Може се замислити да је у једном одређеном тренутку талас алфа-честице делимично већ напустио атомско језгро (тунелским ефектом), док се другим још налази у њему. Ако се и мачка посматра као талас, тада ће се њена таласна структура делом састојати од таласа који припада живој мачки, делом од таласа мртве мачке. Оба таласа међусобно инерферирају. У том мистериозном међустању, мачка очигледно није ни жива,ни мртва. Научници немају исто мишљење о парадоксалним могућностима као што је ова. По некима, васиона се састоји од две паралелне стварности – жива мачка би се налазила у једној, мртва мачка у другој стварности. Други опет мисле да таласи не могу ништа да кажу о индивидуалним алфа-честицама и мачкама, већ увек само о читавом скупу идентичних система, тако да је у неким случајевима мачка жива, у другим мртва.

Без обзира где лежи прави одговор, једно је јасно: Таласне особине материје јесу чињеница, а кад је реч о таласној особини макроскопских тела, нарочито посматрача који имају разум, јавља се чак проблем природе стварности и односа који постоје између посматрача и објективне реалности. Наравно, мисаони експеримент са мачком намерно је тако замишљен да парадоксални аспекти материјалних таласа постану драматично јасни. Али, то се исто дешава увек кад неко језгро избаци алфа-честицу.

(ИзворГалаксија број 184 –август 1987.)

Чланак је послао наш аутор Иван Николић који читаоцима „Галакасијенуди своје тумачење тек након неког објављеног одоговора или коментара на постављена питања. Па, изволите!

 

О аутору

Станко Стојиљковић

Оставите коментар