VREME 742, 24. mart 2005. / MOZAIK
Difrakcija na dva otvora:
Klasik u novoj svetlosti
Klasični eksperiment izveden na neočekivan način – uočena interferencija na dva otvora u vremenu, a ne u prostoru
|
Glavni ulaz u Centar "Sava". Dok stotine posetilaca FEST-a koračaju po zaleđenim prilazima, žurim da se pridružim prijateljima koji me čekaju u predvorju, ali prethodno moram da uđem u zgradu. Ispred mene su dvoja staklena, klizna vrata, postavljena jedna pored drugih. Zastajem – leva ili desna. Najzad se odlučujem i biram samo jedna od njih. Kada ne bih bio makroskopski, već kvantni objekat, ne bih morao da se dvoumim između ulaza, već bih – prošao kroz oba. Tako se ponašaju elektroni kada padaju na zaklon sa dva otvora i po tome se ne razlikuju od talasa svetlosti. U klasičnom eksperimentu sa dva paralelna otvora talasi na zaklonu obrazuju interferencionu sliku, sačinjenu od naizmeničnih tamnih i svetlih pruga. Osam decenija pošto je ovakvim eksperimentima dokazana talasna priroda materijalnih čestica, fizičari su ponovili čuveni eksperiment. Međunarodni tim naučnika, predvođen Gerhardom Paulusom sa teksaškog univerziteta A&M, registrovao je interferencionu sliku sa elektronima koji prolaze kroz dva "otvora" – ovog puta u vremenu, a ne u prostoru.
|
TALASI: Eksperiment sa dva otvora prvi je izveo Tomas Jung pre 200 godina, čime je dokazao talasnu prirodu svetlosti. Danas se taj ogled demonstrativno izvodi u svakoj iole opremljenijoj gimnazijskoj laboratoriji. Talas iz izvora pada na prvi zaklon i prolazi kroz dva mala otvora, a potom, pošto pređe izvestan put, pada na drugi zaklon. Na njemu se javlja takozvana interferenciona slika, koja se sastoji od tamnih i svetlih linija. Gustina ovih linija zavisi od rastojanja među otvorima i talasne dužine. Otvori na prvom zaklonu su zapravo izvori dva nova talasa koji su koherentni, pošto potiču iz istog izvora, a interferencija nastaje kao posledica sabiranja koherentnih talasa – dva talasa prelaze različit optički put i zbog razlike u njihovoj fazi nastaju interferencioni maksimumi i minimumi. Kao nesumnjiv test talasnog kretanja, čitav vek pošto je Tomas Jung dokazao talasnu prirodu svetlosti, eksperiment sa dva otvora je odigrao presudnu ulogu i u formulisanju moderne fizike. Kada je početkom dvadesetih godina XX veka Luj de Brolji u svojoj čuvenoj jednačini povezao impuls elektrona sa njegovom talasnom dužinom, mnogi naučnici odmahivali su glavom, tvrdeći da se to protivi zdravom razumu. Kako jedna materijalna čestica kao što je elektron može biti talas? Međutim, upravo u eksperimentima sa difrakcijom elektrona na dva otvora iz 1925. godine pokazalo se da je to moguće. Kasnije je potvrđeno da se i druge elementarne čestice, ali i svi ostali kvantni objekti, prostiru kao talasi i imaju svoju talasnu dužinu koja, kao i kod svetlosti, odgovara rastojanjima između dobijenih interferencionih pruga. Interferenciona slika, tipičan talasni fenomen, neumitno dokazuje da je kroz otvore prošao talas, a ne čestica. Ako se jedan otvor zatvori, interferencija na zaklonu nestaje. To je zato što tada više ne postoje dva koherentna talasa, već samo jedan. Kada su dva otvora ponovo otvorena, postoje dva talasa, dolazi do njihovog sabiranja i na zaklonu opet nastaje interferenciona slika.
DUALIZAM: Fizičare je svojevremeno mnogo zbunjivala interferencija čestica, a višegodišnje debate o rezultatima eksperimenta sa dva otvora udarile su temelje kvantnoj mehanici, fundamentalnoj nauci o strukturi materije. Prvo logično objašnjenje ove pojave potraženo je u mnoštvu elektrona koji dolaze na prvi zaklon sa otvorima. Kada na zaklon padne snop čestica, neki od njih će proći kroz jedan otvor, a ostali kroz drugi. Time će nastati dva nova snopa koja se potom sabiraju i na drugom zaklonu stvaraju interferencionu sliku. Međutim, ovo objašnjenje se pokazalo nedovoljnim, zato što interferencija nastaje i kada pred dva otvora dođe samo jedan elektron. Ako je jedan otvor zatvoren, taj pojedinačni elektron nema mnogo izbora – prolazi kroz drugi otvor i interferencije nema, ali ako su otvorena oba otvora, na zaklonu nastaju interferencione pruge. Kuda prolazi elektron? Da bi nastala interferencija, elektron se morao kretati kao talas i – istovremeno proći kroz oba otvora. Ovaj talasno-čestični dualizam moderna kvantna mehanika objašnjava nedostakom informacija o pravom kretanju elektrona tokom eksperimenta. Elektron može proći i kroz jedan i kroz drugi otvor. Dok nije poznato kroz koji je otvor prošao, dolazi do interferencije ne između čestica ili talasa, već između dve moguće, jednako verovatne putanje. Međutim, čim se jedan od dva otvora zatvori, putanja elektrona više nije neodređena i dolazi do takozvanog kolapsa talasne funkcije. U paraboli sa posetiocem FEST-a koji ulazi u Centar "Sava", moguće putanje elektrona odgovaraju putanjama posetioca kroz dvoja vrata. Dok se ne zna kroz koja je vrata posetilac prošao, on nema određen položaj i može biti na dva mesta istovremeno. Tako dislociran u prostoru, posetilac se ne razlikuje od talasa i mogao bi da gradi interferencionu sliku. Međutim, kada su jedna vrata zatvorena, precizno je poznato kroz koja je vrata posetilac prošao, pa on više nikako ne može biti na dva mesta. Jedine slike koje se tada mogu videti nisu interferencione, već filmske, i to u velikoj dvorani.
VREME: Gerhard Paulus i njegovi saradnici ponovili su Jungov klasični eksperiment tako što su sabirali talasne funkcije elektrona rasejanih na dva otvora ne u prostoru, već u vremenu. U prvim reakcijama, mnogi fizičari smatraju da je Paulusov tim napravio jednu od najsugestivnijih demonstracija kvantno-mehaničkih fenomena. Eksperiment je izveden na Tehničkom univerzitetu u Beču, u saradnji sa fizičarima sa Instituta "Maks Born" u Berlinu, Instituta "Maks Plank" u Minhenu i Univerziteta u Sarajevu. Elektroni u atomima argona pobuđivani su istovremeno sa dva indentična svetlosna impulsa, za šta je korišćen titanijum-safir impulsni laser, a impulsi su trajali izuzetno kratko – svega pet femtosekundi. Zbog postojanja dva indentična impulsa, nije bilo moguće znati koji od njih je jonizovao elektron i izbacio ga iz atoma argona. Tako je neodređen bio ne položaj, već trenutak u kom je elektron napustio argon. Kada su ovi, u vremenu neodređeni elektroni dospeli na detektor uočena je interferencija, dok je nije bilo za elektrone jonizovane samo jednim impulsom. Sledeći analogiju sa čovekom koji dolazi na filmski festival, ovako postavljen eksperiment odgovara posetiocu za koga nije poznato da li je u Centar "Sava" stigao sada ili pre izvesnog vremena. I on bi, nalik elektronima u komori sa argonskim gasom, zbog svoje neodređenosti u vremenu mogao načiniti interferencionu sliku. Kada sledeći put zakasnite na FEST, uvek se možete izgovoriti interferencijom. Na stranu što je verovatnoća da makroskopski objekti izazovu interferenciju ništavna – skoro da je ravna verovatnoći da oni koji vas u predvoju nestrpljivo iščekuju poveruju u nekakav kvantno-mehanički izgovor.
Slobodan Bubnjević
Engleski fizičar poznat po svojim radovima o talasnoj prirodi svetlosti. Njegov eksperiment iz 1801. godine sa difrakcijom na dva otvora dokazao je da se svetlost prostire kao talas. Ovaj ogled je bio tako uverljiva demonstracija talasnih osobina svetlosti da su ga članovi Kraljevskog društva u Londonu prihvatili kao ključnu potvrdu Hajgensovog talasnog modela, iako je korspukularni, čestični model podržavao neprikosnoveni autoritet Isak Njutn. Pored toga, Jung je prvi ustanovio da ljudsko oko fokusira svetlost promenom u krivini očnog sočiva, otkrio uzrok astigmatizma i prvi predložio mehanizam mešanja boja sa tri osnovne boje. U duhu svog vremena, Jung se bavio i drugim oblastima fizike. Prvi je definisao energiju u modernom smislu te reči. Otkrio je i da za različite materijale postoji konstantan odnos između njihovog istezanja i sile kojom se deluje na njih. Izmerio je moduo istezanja i doprineo definisanju Hukovog zakona. Zainteresovao se za tajnu egipatskih hijeroglifa i 1814. godine pokušao da dešifruje ploču iz Rozete. Učesnici Napoleonove ekspedicije u Egiptu otkrili su 1799. godine u Rozeti, 50 kilometara severoistočno od Aleksandrije, polomljenu kamenu ploču visoku 114 cm i široku 72 cm. Na njoj je bio uklesan isti natpis, ali na tri različita pisma: grčkom alfabetu i na dve vrste egipatskih hijeroglifa. Jungovo dešifrovanje Rozete uspešno je 1822. godine dovršio Žan Fransoa Šampolion (1790–1832).
Francuski fizičar rođen u gradu Dijepu. Isprva je studirao istoriju, ali se potom odlučio za fiziku i učinio presudan doprinos vrlo rano u svojoj naučnoj karijeri. U to doba, početkom dvadesetih godina XX veka, rađala se kvantna mehanika, nova nauka koja je pokušavala da objasni fundamentalne karakteristike materije. De Brolji je 1924. godine u svom doktorskom radu Recherches sur la Theorie des Quanta izneo neverovatnu tezu – da elektroni i druge materijalne čestice imaju talasnu dužinu, čija vrednost odgovara njihovom impulsu. Naizgled potpuno suluda, De Broljijeva teza o talasnoj strukturi elektrona potvrđena je tokom 1925. godine u čuvenom eksperimentu Klintona Dejvisona. Istovremeno, De Broljijevu tezu potvrdio je i eksperiment Džordža P. Tompsona (1892–1975). Potpuno strana ljudskoj intuiciji, talasna priroda materijalnih čestica spada među najčudnije zaključke o svetu do kojih je čovek ikada došao. "Takvih stvari", zapisao je Edington, "ne može biti ni u bajkama – one mogu postojati samo u ozbiljnim naučnim radovima." Luj de Brolji je za svoj rad dobio Nobelovu nagradu 1929. godine. |
