Dualitatea undă-corpuscul„Cei mai mulţi oameni doar utilizează acest concept şi-şi văd în continuare de viaţa lor”. Roger McLassus

Conceptul nostru de realitate se bazează pe experiențele de zi cu zi. Dar dualitatea undă-corpuscul este atât de ciudată încât suntem obligați să ne reanalizăm cele mai obişnuite concepte.

Dualismul undă-corpuscul se referă la o proprietatea fundamentală a materiei care, la un moment dat, se comportă ca o undă, pentru ca într-un alt moment să acționeze ca o particulă.

Pentru a înțelege dualitatea undă-corpuscul trebuie să înţelegem diferenţele dintre particule și unde.

Cu toţii suntem familiarizați cu particulele de materie, indiferent dacă acestea sunt boabe de nisip, de sare, atomi, electroni și așa mai departe.

Proprietățile particulelor pot fi prezentate dacă ne referim, de exemplu, la o bucată de marmură. Aceasta este o rocă metamorfică care ocupă la un moment dat un loc în spațiu. Dacă vom lovi uşor o bucată de marmură cu degetul atunci îi vom imprima acesteia o energie cinetică și astfel marmura se va deplasa. Dacă aruncăm în aer mai multe bucăţi de marmură, acestea vor cădea pe pământ şi fiecare dintre ele îşi vor transmite energia cinetică podelei de care se lovesc.

Prin contrast, undele sunt răspândite. Ca exemplu, pot fi menţionate valurile de la suprafaţa unui ocean sau dintr-un lac, undele sonore și undele luminoase.

Dacă la un moment dat o undă este localizată în spaţiu, după un timp aceasta se va răspândi, similar valurilor de la suprafaţa unui lac în care aruncăm o piatră. Unda transportă o energie odată cu deplasarea sa. Spre deosebire de o particulă, energia unei unde este distribuită în spațiu, deoarece unda se răspândeşte.

 De ce sunt undele atât de diferite de particule

În timp ce particulele se ciocnesc unele de altele şi ricoşează, undele trec unele prin altele şi-şi continuă drumul. Undele care se suprapun pot interfera, iar în cazul în care minimul unei unde se suprapune cu maximul altei unde atunci cele două unde se anulează reciproc.

Valuri la suprafața unei ape

Valuri la suprafața unei ape. Credit: Tim Davis

Acest lucru poate fi observat atunci când o undă trece prin nişte găuri apropiate dintr-un ecran. Undele se răspândesc în toate direcțiile și interferă, ceea ce înseamnă că în unele regiuni din spațiu unda dispare în timp ce în alte regiuni aceasta devine chiar mai puternică.

În imaginea de mai jos se poate vedea modelul de interferenţă obţinut în urma experimentului cu fanta dublă care a fost inventat de Thomas Young. Acest fenomen se numește difracție.

Model de interferență al unei unde

Model de interferență al unei unde. Credit: Tim Davis

Prin contrast, particulele de materie care sunt aruncate către peretele cu fanta dublă vor trece prin una dintre acestea, iar pe ecranul aflat în spatele peretelui cu fante se vor forma două benzi corespunzătoare celor două direcţii în care s-au deplasat particulele.

Fenomenul de difracție este o proprietate binecunoscută a undelor luminoase. Cu toate acestea, la începutul secolului al 20-lea s-a identificat o problemă în ceea ce priveşte teoriile undelor de lumină emise de obiectele fierbinți, cum ar fi cărbunii aprinși în foc sau lumina provenită de la Soare.

Această lumină este denumită radiația corpului negru. Teoriile anticipau întotdeauna o energie infinită pentru radiaţia emisă având lungimile de undă aflate dincolo de capătul albastru al spectrului electromagnetic – catastrofa ultravioletă.

Radiația corpului negru de la cărbuni aprinși în foc

Radiația corpului negru de la cărbuni aprinși în foc. Credit: Tim Davis

Soluţia la această problemă a presupus că energia undelor luminoase nu variază în mod continuu, aceasta trebuind să ia doar valori discrete, ca și în cazul în care radiaţia ar fi compusă dintr-un număr mare de particule. În consecinţă, s-a considerat că undele luminoase acționează ca nişte particule care au fost denumite fotoni.

Dacă lumina, care a fost considerată o undă, se comportă, de asemenea, ca o particulă, este posibil ca electronii și atomii, care sunt considerate particule, să se comporte ca unde?

Pentru a se explica structura și comportamentul atomilor a fost necesar să se presupună că particulele au şi proprietăți de undă. Dacă acest lucru este adevărat, atunci o particulă ar trebui să sufere fenomenul de difracţie la trecerea printr-o pereche de găuri aflate la mică distanță una de alta, la fel ca o undă.

 Difracţia electronilor și a atomilor

Într-adevăr, experimentele au dovedit că particulele atomice acţionează la fel ca undele. Când trimitem electroni către un ecran cu două găuri apropiate și măsurăm distribuția electronilor de cealaltă parte a ecranului, nu vom observa două pete distincte, câte una pentru fiecare gaură în parte, ci un model de difracție complet, ca cel obţinut în cazul undelor.

În acest caz avem un alt exemplu al experimentului lui Young cu fanta dublă, amintit mai sus, dar de data aceasta modelul de interferenţă se datorează undelor de electroni. Aceste noțiuni formează baza teoriei cuantice care este, probabil, cea mai de succes teorie pe care au conceput-o oamenii de ştiinţă.

Ceea ce este bizar în experimentul de difracție este că unda de electroni nu-şi depune energia pe întreaga suprafață a detectorului, ca în cazul unui val care se ciocneşte de un ţărm.

Energia electronului este depusă într-un punct, ca și în cazul unei particule. Deci, în timp ce electronul se propagă prin spațiu ca o undă, acesta interacţionează într-un punct ca o particulă. Această caracteristică este cunoscută sub numele de dualismul undă-corpuscul.

 Particula se deplasează ca o undă misterioasă

Dacă electronul sau fotonul se propagă ca o undă, dar îşi eliberează energia într-un punct, ce se întâmplă cu restul undei?

Unda dispare din spațiu şi nu va fi văzută din nou! Cumva, acele părți ale undei care se află la distanţă de punctul de interacțiune știu că energia s-a pierdut și ele dispar în mod instantaneu.

Dacă acest lucru s-ar întâmpla cu valurile oceanului, atunci unul dintre surferii aflaţi pe val ar primi toată energia valului și în acel moment valul ar dispărea în totalitate de-a lungul plajei.

Un surfer

Un surfer. Credit: Tim Davis

Este ceea ce se întâmplă în cazul fotonilor, electronilor şi chiar a atomilor. Evident, această enigmă i-a contrariat pe oamenii de ştiinţă, inclusiv pe Einstein. În cadrul măsurătorilor experimentale această proprietate este de obicei denumită „colapsul undei”.

 O anumită incertitudine

Pe măsură ce unda se propagă unde se află particula? Ei bine, nu știm sigur. Aceasta se află undeva într-o regiune a spațiul având o dimensiune similară cu distribuția de lungimi de undă care definesc unda sa asociată. Acesta este principiul de incertitudine al lui Heisenberg.

Pentru particulele de materie întâlnite în viaţa de zi cu zi, precum cele de marmură, sare și nisip, lungimile de undă asociate acestora sunt atât de mici încât localizarea lor poate fi măsurată cu precizie. Pentru atomi şi electroni, acest lucru este mult mai dificil.

În experimentul de difracție, lungimea de undă asociată electronilor este mare, astfel încât localizarea electronului este foarte incertă. Electronul trece de fapt prin ambele fante simultan, la fel ca o undă. Ne este practic imposibil să ne imaginăm acest lucru atunci când ne gândim la electron ca la o particulă, deoarece acest fapt intră în conflict cu experiența noastră de zi cu zi.

Chiar şi Einstein a fost preocupat de această problemă a locului unde se află particula și a ajuns la concluzia că anumite informații lipsesc din teoria cuantică. Într-o lucrare celebră pe tema variabilelor ascunse, Einstein şi colegii săi, Nathan Rosen și Boris Podolsky, au afirmat că fie teoria cuantică este greșită, fie însăşi noțiunea noastră asupra realităţii este greşită.

O serie de experimente precise și inteligente au dovedit că teoria cuantică este corectă și că percepţia noastră asupra realităţii este greşită (a se vedea inegalitatea lui Bell și paradoxul lui Einstein, Rosen și Podolsky).

 Un comportament fantomatic

Dar această constatare nu reprezintă sfârșitul poveștii. Experimentele care au contrazis noțiunile noastre asupra realităţii au implicat existenţa a două particule legate între ele care se comportă ca o undă unică. Măsurătorile asupra uneia dintre particule afectează proprietățile fizice ale celeilalte particule, deși acestea se pot afla la mare distanţă una de alta. Această proprietate este cunoscută sub numele de „acțiunea înfricoşătoare la distanță” și este o consecință a inseparabilităţii cuantice.

Acesta este un concept foarte subtil, dar care stă la baza calculatoarelor cuantice și a criptografiei cuantice!

Ce este în neregulă cu realitatea?

În acest moment, întreaga problemă devine foarte dificil de imaginat. Dar nu vă îngrijoraţi prea mult de acest lucru. Richard Feynman, laureat al Premiului Nobel și un om cu adevărat genial a spus: „Cred că pot spune cu siguranță că nimeni nu înțelege mecanica cuantică”.

Cei mai mulți oameni care lucrează în acest domeniu doar se obişnuiesc cu conceptul şi-şi văd pe mai departe de viaţa lor, sau devin filozofi.

Și ce putem spune despre realitate?

Cred că profesorul Feynman are ultimul cuvânt şi aici atunci când afirmă că „… paradoxul este doar un conflict între realitate și ceea ce credem noi că ar trebui să fie realitatea”.

Traducere după Explainer: what is wave-particle duality