Το πείραμα της διπλής σχισμής και το μυστήριο του κβαντικού κόσμου 

(άρθρο του Σπύρου Κιτσινέλη στο Openscience)

 

Ίσως το μεγαλύτερο μυστήριο του φυσικού μας κόσμου να είναι αυτό που αποτελεί την καρδιά της κβαντικής φυσικής πάνω στην οποία είναι χτισμένη ένα μεγάλο μέρος των τεχνολογικών μας επιτευγμάτων. Το μυστήριο αυτό αφορά στη φύση του κβαντικού κόσμου και αποτέλεσε αντικείμενο φιλονικίας μεταξύ μεγάλων επιστημόνων για αιώνες. Η φιλονικία αυτή ξεκίνησε μεταξύ ενός στρατοπέδου με πρωτοστάτη τον Νεύτωνα και οι οποίοι πίστευαν στη σωματιδιακή φύση του φωτός και αναφέρονταν συχνά στην ανάκλαση του φωτός για να στηρίξουν το πιστεύω τους. Στο αντίπαλο στρατόπεδο με πρωτοστάτες τον Hooke και Huygens, οι επιστήμονες πίστευαν στην κυματική φύση του φωτός και ανέφεραν φαινόμενα όπως η περίθλαση. Οι ιδέες του Huygens και των ομοϊδεατών του όμως επισκιάστηκαν από το μεγάλης βαρύτητα όνομα του Νεύτωνα. Ήταν στις αρχές του 19ου αιώνα όταν η κυματική φύση του φωτός ξανάρθε στο προσκήνιο μετά από ένα απλό αλλά ιδιοφυές πείραμα του Young και το οποίο ονομάστηκε το πείραμα της διπλής σχισμής. Σε αυτό το πείραμα ο Young έριξε φως προς ένα τοίχο το οποίο περιείχε 2 μικρές σχισμές. Σε ένα δεύτερο τοίχο από πίσω το φως δεν έφτασε μόνο στα σημεία ακριβώς πίσω από τις σχισμές αλλά δημιούργησε σε όλο τον τοίχο εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες, κάτι που μαρτυρούσε ότι το φως ταξίδεψε ως κύμα και περνώντας τις 2 σχισμές τα δυο νέα κύματα προκάλεσαν συμβολή με αποτέλεσμα την ακύρωση τους σε κάποια σημεία και την πρόσθεση τους σε άλλα. Η συμβολή αυτή που μόνο κύματα μπορούν να υποστούν όπως ακόμα και τα κύματα της θάλασσας είναι ουσιαστικά προσθετική όταν δυο κορυφές δυο κυμάτων συναντηθούν και ακυρώνονται όταν μια κορυφή συναντήσει ένα κοίλωμα του άλλου κύματος.

 

Παρόλο που η κυματική θεωρία άρχισε να αποκτά περίοπτη θέση, στις αρχές του 20ου αιώνα ο Αϊνστάιν με την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου αναβίωσε την σωματιδιακή φύση του φωτός. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι εκείνο κατά ο οποίο ακτινοβολία που προσπίπτει σε ένα μέταλλο για παράδειγμα αναγκάζει ηλεκτρόνια να αποδεσμεύονται από τα άτομα του μετάλλου. Ο Αϊνστάιν κατάλαβε ότι το γεγονός ότι μια ασθενής μπλε ακτινοβολία προκαλεί το φαινόμενο αλλά μια ισχυρή κόκκινη όχι, τότε δεν είναι κύματα υπεύθυνα που η ενέργεια τους δηλαδή η ένταση τους μεγαλώνει με τη φωτεινότητα αλλά η ακτινοβολία μεταφέρεται στο μέταλλο σε μικρά πακέτα με διαφορετικές ενέργειες. Ο de Broglie έβαλε τη θεωρητική βάση της δισυπόστατης φύσης του φωτός και του υπόλοιπου κβαντικού κόσμου κάτι το οποίο διαπιστώθηκε σε πειράματα όπου δέσμες ηλεκτρονίων και όχι φωτονίων αυτή τη φορά επέδειξαν φαινόμενα συμβολής.

 

Ένα από αυτά τα πειράματα όπου επαναλήφθηκε το πείραμα του Young με τη διπλή σχισμή αλλά χρήση δέσμης ηλεκτρονίων και όχι φωτονίων έβαλε τη τελική πινελιά στη δισυπόστατη φύση του κβαντικού κόσμου. Τα ηλεκτρόνια περνώντας από τις δυο σχισμές σχηματίζουν στον ανιχνευτή από πίσω τις εναλλασσόμενες λωρίδες της συμβολής σαν να ήταν δηλαδή κύματα και όχι σωματίδια που περνούσαν τις σχισμές. Το εν λόγω πείραμα ψηφίστηκε από τους αναγνώστες του περιοδικού "Ο Κόσμος της Φυσικής" το 2002 ως το ομορφότερο πείραμα στην ιστορία και η απόδειξη της δισυπόστατης φύσης του κβαντικού κόσμου παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του φυσικού κόσμου που όμως έχουμε αποδεχτεί και εφαρμόσει στις επιστήμες. Η δισυπόστατη φύση του κβαντικού κόσμου δικαιώνει την έκφραση ότι η επιστήμη ξεπερνά κάθε φαντασία και μαγικό σενάριο.