Wszystko Co Najważniejsze

Dualizm światła i materii

Ryc.: Fabien Clairefond
Fizyk w Instytucie Fizyki Maxa Plancka w Greifswaldzie zamujący się badaniami nad syntezą termojądrową. Ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Opolskiego, doktoryzował na Uniwersytecie w Bochum prowadząc jednocześnie badania w Forschungszentrum Jülich. Pracował w kilku największych ośrodkach zajmujących się badaniami nad syntezą termojądrową, m.in. w General Atomics w San Diego i National Institute for Fusion Science w Japonii, gdzie wielokrotnie był profesorem wizytującym. Na Twitterze zainicjował stream #PięknoNauki.
wszystkie teksty autora

Proszę o powiadomienie o następnym tekście tego Autora konto premium

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć fizyki w XX wieku było odkrycie, że światło i materia są jednocześnie falami jak i cząsteczkami. Jak napisał Albert Einstein: “Wydaje się , że musimy raz użyć jednej teorii, a innym razem drugiej. Mamy dwa sprzeczne obrazy rzeczywistości, osobno nie tłumaczą czym jest światło, ale razem już tak.

 

Mało tego, materia może stać się światłem, a światło materią. W przestrzeni międzygwiezdnej i w mikroświecie atomów toczy się odwieczny taniec światła i materii. Atomy, a nawet elektrony, mogą emitować lub absorbować światło, spotkanie cząstki z antycząstką sprawia, że obie znikają pozostawiając po sobie kwant energii, czyli światło. Dzisiaj fizycy, niczym alchemicy XXI wieku mogą w swoich laboratoriach utworzyć światło z materii, a materię ze światła.

O tym jednak za chwilę, najpierw spójrzmy na batalię o naturę światła, trwającą ponad dwa stulecia. Zapoczątkował ją w XVIII wieku Izaak Newton, a zakończył, po dwustu latach, na początku XX wieku, Albert Einstein. Batalia spięta klamrą dwóch największych geniuszy nauki.

Światło

Kolor światła zależy od długości fali (czyli odległości pomiędzy dwoma najbliższymi grzbietami lub dolinami). Światło o kolorze niebieskim ma długość fali znacznie krótszą niż światło czerwone (tak jak jest to przedstawione na ilustracji). Długości fali na ilustracji są przesadzone, w rzeczywistości są one krótsze niż tysięczna część milimetra. Nasze oko rejestruje zakres barw od czerwieni do fioletu, ale światło ma o wiele więcej barw, np. podczerwień, lub nadfiolet, których ludzkie oko nie rejestruje. Nadfiolet ma odległość między grzbietami, krótszą niż światło o barwie fioletowej, a podczerwień dłuższą od światła o barwie czerwonej. Gdybyśmy jeszcze bardziej zwiększyli długość fali, tak że odległość między jej grzbietami byłaby rzędu centymetrów, uzyskalibyśmy falę radiową, dzięki której możemy słuchać co piątek Wojciecha Manna w Trójce.

Tęcza to spektakularny przykład falowej natury światła.
Tęcza to spektakularny przykład falowej natury światła. Dzięki temu, że każda barwa ma inną długość fali, inaczej uginana jest na kroplach deszczu – stąd rozszczepienie barw i tęcza na niebie. (Zdjęcie: A.Amboldi/flickr)

Światło zachowuje się czasem podobnie do fal na wodzie, a czasem podobnie do kul bilardowych. Ma to wiele ciekawych konsekwencji, a jednym z bardziej praktycznych zastosowań tej dualnej natury światła, jest aparat cyfrowy, także ten obecny dziś w każdym smartfonie. Dzięki temu, że jest falą elektromagnetyczną, ugina się przechodząc przez soczewki obiektywu, a my uzyskujemy ostry obraz w aparacie. Z drugiej strony, tylko dzięki temu, że światło składa się z milionów cząsteczek (fotonów), matryce cyfrowych aparatów fotograficznych mogą zarejestrować kolejne zdjęcie kota, tęczy, czy też kolejne “selfie” Jacka Kurskiego (czy ma to jakiś sens to już inna sprawa). Im mniej światła, tym mniej fotonów dociera do matrycy, w wyniku czego zdjęcie jest ciemniejsze i bardziej „poszumione”. Fotografia – to praktyczne zastosowanie dualnej natury światła – jest tak naprawdę odpryskiem potężnej batalii, która rozgorzała pomiędzy naukowcami w XVIII wieku.

Spór rozgorzał pomiędzy dwoma gigantami nauki: Christianem Huygensem (badaczem mikroskopów, wynalazcą zegarów z wahadłem, współtwórcą wielu dziedzin fizyki) a Izaakiem Newtonem  – chyba największym geniuszem nauki, jaki urodził się na naszej planecie. To dzięki Newtonowi wiemy, jak działa grawitacja, czemu Księżyc krąży wokół Ziemi, a Ziemia wokół Słońca, posługujemy się nowoczesną matematyką i urządzeniami optycznymi.

Huygens twierdził, że światło jest falą, rozchodzi się w przestrzeni koliście, tak jak fala na powierzchni wody, gdy wrzucimy do niej kamień. Newton nie potrafił zrozumieć, jak taka fala może rozchodzić się w próżni, gdzie nie ma ani wody, ani żadnej innej materii, dlatego postulował, że światło składa się z cząsteczek, które rozchodzą się po liniach prostych. Jako, że Newton był uczonym o ogromnym autorytecie, wierząc mu bezwzględnie, sądzono (wbrew obserwacjom), że światło ma naturę cząsteczkową. Do czasu, gdy Francuz Augustin-Jean Fresnel, a zwłaszcza Anglik Thomas Young dobitnie pokazali na początku XIX wieku seriami żmudnych doświadczeń, że światło jest falą, podobną do tej jaką obserwujemy na powierzchni morza. Bardzo wymowny jest zwłaszcza eksperyment Younga, który pokazał, że światło, podobnie jak nakładające się fale na wodzie, ulega wzmocnieniu lub osłabieniu. Dzięki odkryciom tych dwóch fizyków udało się opracować niezmiernie precyzyjne intrumenty optyczne, w tym i obiektywy aparatów fotograficznych.

interferencja

Eksperyment Younga – dość prosty w wykonaniu – pokazał dobitnie, że światło zachowuje się podobnie jak fale na wodzie. Gdy fala świetlna osiągnie przesłonę z dwoma szczelinami (S1, S2), tworzą się dwie fale kuliste, które nakładając się ulegają wzmocnieniu i osłabieniu tworząc na ekranie jaśniejsze i ciemniejsze plamy. To zachowanie światła wynika z jego falowej natury, dlatego podobny eksperyment z falami wody, dałby analogiczny wynik.

Gwóźdź do trumny umieszczonej pod nagrobkiem z napisem „Tu spoczywa cząsteczkowa natura światła”, wbił James Maxwell, formułując w XIX wieku jedną z najbardziej eleganckich teorii w historii nauki – elektrodynamikę klasyczną. Równania Maxwella, opisujące fale elektromagnetyczne (w tym oczywiśce także światło widzialne), pokazały, że opisem falowym można wyjaśnić prawie wszystkie zjawiska wiążące się ze światłem, elektrycznością i polem magnetycznym. Równania Maxwella należą do dekalogu fizyków i to właśnie one, a nie słynne wśród laików E=mc2, widnieją na t-shirtach noszonych przez studentów fizyki.

Niesamowite jest to, że tak naprawdę światło składa się z cząsteczek, które nazywamy fotonami (co pokazał dwa stulecia później Albert Einstein). Do tego odkrycia doprowadziły właśnie kłopoty, jakie mieli fizycy by wytłumaczyć pozostałe właściwości fal elektromagnetycznych (czyli też i światła). Te „pewne aspekty” to właśnie oddziaływanie światła z materią. Gdyby światło było tylko falą, warstwa ozonowa (znajdująca się w górnych partiach atmosfery) nie pochłaniałaby praktycznie całego promieniowania ultrafioletowego, co byłoby dla nas zabójcze. Jak wytłumaczyć, że światło odbija się od elektronów jak piłka od ściany? Wreszcze, dlaczego światło niebieskie niesie ze sobą więcej energii niż światło czerwone? Einstein założył, że światło to cząski (nazwane później fotonami); dzięki temu wiele niezrozumiałych zjawisk świata kwantowego stało się jasne, a najsławniejszy fizyk na świecie otrzymał nagrodę Nobla. Fotony, jako jedyne cząstki, które nie mają masy, mogą poruszać się z niewyobrażalną prędkością – w próżni wynosi ona 300 tysięcy kilometrów na sekundę – i jest największą prędkością jaką można osiągnąć. W czasie gdy Ty, Czytelniku, przeczytasz to zdanie, foton wyemitowany z ekranu Twojego komputera mógłby dotrzeć do Księżyca i wrócić z powrotem na Ziemię.

Materia też jest falą

A co z materią? Już około 2400 lat temu grecki filozof Demokryt  postulował, że wszystko, co widzimy składa się z niepodzielnych atomów. Dziś wiemy, że materia jaką znamy składa się głównie z protonów, neutronów i elektronów; a protony i neutrony z kwarków. Istnieje też całe zoo cząsteczek, które były ważne np. zaraz po Wielkim Wybuchu, a dziś są tak przed nami ukryte, że naukowcy muszą budować ogromne akceleratory, by móc je badać. Wielkim zaskoczeniem dla fizyków po odkryciu świata kwantowego na początku XX wieku, był fakt, że atomy i cząstki musimy opisywać tak jakby były falami. U serca mechaniki kwantowej leży funkcja falowa, o której interpretacje boje toczą się do dzisiaj. Jedni fizycy twierdzą, że jest ona tylko narzędziem matematycznym mechaniki kwantowej, ale są też prace innych, które sugerują, że ma ona sens fizyczny. Mało tego – każda cząstka zachowuje się też czasami jak fala. Jednym z najbardziej spektakularnych tego przejawów jest powtórzenie eksperymentu Younga z ramki powyżej, ale tym razem zamiast światła, z użyciem elektronów. Okaże się, że dostaniemy identyczne jaśniejsze i ciemniejsze prążki na ekranie! Materia także zachowuje się jak fale na wodzie.

Interferencja cząstek
Powtórzenie eksperymentu Younga z dwiema szczelinami, przez które przepuszczane są np. elektrony daje identyczne wyniki. Na ekranie pojawią się jaśniejsze i ciemniejsze prążki interferencyjne, które są dowodem na to, że każda cząstka jest też falą.

Mało tego, możemy przez szczeliny przepuszczać po jednej cząstce naraz, a i tak dostaniem ten sam obraz interferencyjny. Jakimś sposobem elektron przechodząc przez jedną szczelinę, „wie” też o istnieniu tej drugiej. Ale jak to jest możliwe?! Elektron nie ma przecież oczu, którymi obserwuje otoczenie. Paradoksy podobne do tego doprowadziły do sformułowania przez amerykańskiego fizyka Richarda Feynmanna kwantowej teorii elektromagnetyzmu (QED), w której elektron w naszym eksperymencie porusza się po nieskończenie wielu trajektoriach, które sumują się w jedną wypadkową,którą obserwujemy.

QEDW oczach fizyka kwantowego każda cząstka porusza się z jednego miejca w drugie po wszystkich możliwych trajektoriach (czyli w naszym eksperymencie, także przez drugą szczelinę). Mało tego, by wiedzieć gdzie taka cząsteczką się znalazła trzeba policzyć sumę po wszystkich jej historiach (czyli trajektoriach), także tych, w których cząsteczka porusza się wstecz w czasie(!) i gdy czas i przestrzeń tworzą zamkniętą pętlę(!!). Przyznam się szczerze, że sam mam problem jak zrozumieć ten wynik. Czy cząstki naprawdę poruszają się wstecz w czasie? Nie wiemy, ale obliczenia dają wyniki zgodne z doświadczeniami.

A może jedność zamiast dualizmu?

W akceleratorach fizycy zderzają materię z antymaterią (w dużym uproszczeniu antymateria jest dokładnym przeciwieństwem materii, jej lustrzanym odbiciem) co powoduje ich anihiliację (czyli zniknięcie), a zamiast tego pojawia się foton. Może też stać się na odwrót, gdy światło oddziałuje np. z jądrem atomowym, prowadzi to do powstania pary cząstka – antycząstka. Ze światła powstaje materia. Ostatnio naukowcy postulują nawet, że tak jak można zderzać cząstki w akceleratorach, tak można też zderzać fotony i dzięki temu zmieniać je w materię.

Cylinder Shadow - Circle and Rectangle
Cień rzucany przez cylinder może mieć kształt prostokąta i koła. Gdybyśmy żyli na płaszczyźnie i obserwowali raz jeden, raz drugi cień, sądzilibyśmy, że to dwa różne obiekty rzucają cienie o różnych kształtach. W trójwymiarze widzimy, że to cylinder może rzucać cienie o różnych kształtach.

Pospekulujmy. Co oznacza, że i światło i materia raz zachowują się jak cząstki, a innym razem jak fale? Być może okaże się, że światło i materia to dwie odrębne formy tego samego bytu, którego nie potrafimy jeszcze nazwać ani określić. Światło częściej przejawia naturę falową, gdyż nie ma masy (podobnie jest z prędkością światła, którą mogą tylko osiągnąć fotony, gdyż jako jedyne nie mają masy). Materia, która dzięki polu Higgsa jest obdarzona masą, częściej przejawia naturę korpuskularną. A może, gdyby udało się złączyć te dwie formy w jeden byt, powstanie nowa, zunifikowana teoria, która połączy mechanikę kwantową z ogólną teorię względności? Tak jak z przykładem cieni cylindra w ramce obok, odkryjemy, że falowa albo korpuskularna natura światła i materii to tylko specyficzne przypadki czegoś innego. Powstają już próby takich unifikacji, np. teoria strun, ale o tym już innym razem.

Marcin Jakubowski

Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone.
Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy.
2 maja 2014