Πώς ένας αιώνας διαφωνίας για την αληθινή φύση του φωτός έφτασε στο τέλος του
Το παρακάτω αποτελεί απόσπασμα από το newsletter μας Lost in Space-Time. Κάθε μήνα, εξερευνούμε συναρπαστικές ιδέες από όλο το σύμπαν. Μπορείτε να εγγραφείτε στο Lost in Space-Time εδώ.
Όταν ο φυσικός Clinton Davisson έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1937 για την ανακάλυψη ότι τα ηλεκτρόνια, τα οποία θεωρούνταν σωματίδια, μπορούσαν κάποιες φορές να συμπεριφέρονται απροσδόκητα σαν κύματα, φρόντισε να καρφώσει μια μπηχτή στο φως. Είπε ότι «το τέλειο παιδί της φυσικής [είχε] μεταμορφωθεί σε ξωτικό με δύο κεφάλια». Ήδη ήταν γνωστό ότι δεν ήταν το ένα ή το άλλο, αλλά και τα δύο, κυματοειδές και σωματιδιακό. Οι φυσικοί συνήθιζαν να πιστεύουν ότι η ύπαρξη σωματιδίου και κύματος ήταν αμοιβαία αποκλειόμενες, κι όμως είχαμε, στο φως και πλέον και στα ηλεκτρόνια, δύο παραδείγματα που το αντικρούουν. Κάπως μπερδεμένος, ο Davisson δεν μπορούσε παρά να καταφύγει σε μια γκροτέσκα μεταφορά.
Ήταν σε καλή παρέα – 10 χρόνια νωρίτερα, ο Albert Einstein είχε μια διάσημη διαφωνία με τον Niels Bohr για αυτή την εμφανή παραδοξότητα. Οι δύο πρωτοπόροι της κβαντικής θεωρίας ορμούσαν ο ένας στον άλλον οπλισμένοι μόνο με gedankenexperiments, ή νοητικά πειράματα, καθώς δεν διέθεταν την τεχνολογία για να τα πραγματοποιήσουν στο εργαστήριο. Αλλά η έχθρα τους δεν υπάρχει πια. Το 2025, τα πειράματα που ο Einstein και ο Bohr ονειρεύτηκαν με πάθος πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο, και μάλιστα περισσότερες από μία φορές. Το φως αναδύθηκε με τα δύο κεφάλια άθικτα.
Το ζήτημα της αληθινής φύσης του φωτός υπήρξε ανέκαθεν αμφιλεγόμενο. Τον 17ο αιώνα, χώρισε άλλους δύο μεγάλους επιστήμονες. Ο μαθηματικός Christiaan Huygens υποστήριξε ότι το φως ήταν κύμα, ενώ ο φυσικός Isaac Newton ισχυρίστηκε ότι ήταν μια ροή σωματιδίων. Ο Huygens δημοσίευσε τη «Διατριβή του για το Φως» το 1690, κοντά στον θάνατό του, αλλά επισκιάστηκε από τα επιχειρήματα και τη φήμη του Newton.
Το άλλο κεφάλι του φωτός δεν μπορούσε να παραμείνει κρυφό για πολύ. Το 1801, ο φυσικός Thomas Young σχεδίασε το πλέον διάσημο πείραμα της διπλής σχισμής, προσπαθώντας να εξαναγκάσει το φως να αποκαλύψει την αληθινή του φύση. Αυτό που έκανε ισοδυναμούσε με κραυγή «Είμαι κύμα» σε όποιον φυσικό άκουγε. Για λίγο, ο χώρος πείστηκε. Αλλά μέχρι το 1927, ο Einstein και ο Bohr όχι μόνο διαφωνούσαν ξανά για την αληθινή φύση του φωτός, αλλά διαφωνούσαν και για το ίδιο το πείραμα της διπλής σχισμής.
Σε αυτό το πείραμα, τοποθετείται ένα εμπόδιο με δύο στενές, παράλληλες σχισμές μπροστά από μια οθόνη. Αυτό που ακολουθεί είναι απλό. Φωτίστε τις σχισμές, μετά παρατηρήστε την οθόνη. Αν το φως ήταν σωματίδιο, η οθόνη θα έδειχνε δύο κηλίδες φωτός, μία πίσω από κάθε σχισμή. Αλλά αυτό που είδαν ο Young και πολλοί φυσικοί μετά από αυτόν ήταν πιο σύνθετο – ένα όμορφο μοτίβο συμβολής, που αφήνει δακτυλίους φωτός και σκοταδιού να εναλλάσσονται σε ολόκληρη την οθόνη. Αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό της κυματοειδούς φύσης του φωτός. Τα κύματα φωτός διαπερνούν τις σχισμές και όπου συναντιούνται στις κορυφές τους, η φωτεινότητά τους ενισχύεται, δημιουργώντας έναν φωτεινό δακτύλιο. Ένα ζευγάρι κορυφής και πυθμένα αφήνει έναν σκοτεινό δακτύλιο.
Λοιπόν, τι είχε να συζητήσει κανείς έναν αιώνα αργότερα; Καταρχάρχας, ο Einstein βασιζόταν σε προηγούμενα αποτελέσματα από ένα πείραμα όπου φως ακτινοβολήθηκε σε ένα κομμάτι χρυσού, στο οποίο εξήγησε την μυστηριώδη τάση του να απωθεί τα ηλεκτρόνια του χρυσού, υποθέτοντας ότι το φως αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια. Αυτό το πείραμα έδειχνε μόνο το ένα από τα κεφάλια του φωτός, και διαφορετικό από το πείραμα του Young – αλλά ο Einstein συνέχισε να ψάχνει για σημάδια της σωματιδιακής φύσης του φωτός σε πειράματα.
Η κβαντική θεωρία το έκανε ακόμα πιο δύσκολο, καθώς διακήρυττε ότι το μοτίβο συμβολής θα εμφανιζόταν ακόμα κι αν το πείραμα της διπλής σχισμής γινόταν με ένα φωτόνιο τη φορά. Οι φυσικοί πάλευαν να φανταστούν πώς ένα φωτόνιο θα μπορούσε ταυτόχρονα να διαπεράσει δύο σχισμές. Οι λεπτομέρειες του μοτίβου συμβολής απέκλειαν την πιθανότητα το φωτόνιο να χωρίζεται κατά κάποιον τρόπο σε δύο, καθιστώντας φανερό ότι το ξωτικό έκανε κάποιο μαγικό τρικ.
Ο Bohr πρότεινε ότι ένας τρόπος αντιμετώπισης αυτού ήταν η αρχή της συμπληρωματικότητας. Η κυματοειδής και σωματιδιακή φύση του φωτονίου θα μπορούσαν και οι δύο να εμφανιστούν σε πειράματα, αλλά ποτέ ταυτόχρονα. Ο Einstein δεν το δεχόταν. Εδώ έρχονται τα gedankenexperiments.
Στο νοητικό πείραμα του Einstein, υπάρχει μια επιπλέον σχισμή από όπου περνάει το φως πριν από το συνηθισμένο ζεύγος, και είναι εξοπλισμένη με ελατήρια ώστε να αναπηδά όταν ένα φωτόνιο τη διασχίζει. Φαντάστηκε ότι οι φυσικοί θα μπορούσαν να παρατηρήσουν αν τα ελατήρια συμπιέζονται ή επιμηκύνονται αφού χτυπηθούν από το φωτόνιο και κατ’ επέκταση να προσδιορίσουν αν το φωτόνιο πέρασε από την επάνω ή την κάτω σχισμή. Με αυτόν τον τρόπο, επιχειρηματολόγησε ο Einstein, θα μπορούσαν να μάθουν από ποια σχισμή πέρασε το φωτόνιο, που είναι μια συμπεριφορά πολύ σωματιδιακή, αλλά θα εξακολουθούσαν να βλέπουν το αδιάψευστο κυματοειδές μοτίβο στην οθόνη. Πίστευε ότι είχε επινοήσει έναν τρόπο να δει και τα δύο κεφάλια του φωτονίου.
Το αντεπιχείρημα του Bohr βασίστηκε σε ένα άλλο κλασικό χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας – την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, συγκεκριμένες μετρήσιμες ιδιότητες αντικειμένων έρχονται σε ζεύγη, όπως η ορμή και η θέση – και υπάρχει ένας συμβιβασμός στην ακρίβεια με την οποία μπορούμε να γνωρίζουμε οποιαδήποτε από τις δύο. Για παράδειγμα, εάν οι ερευνητές μετρήσουν την ορμή ενός σωματιδίου με μεγάλη ακρίβεια, η γνώση τους για τη θέση του θα καταλήξει να είναι πολύ ανακριβής. Ουσιαστικά, το σωματίδιο θα εμφανιστεί σαν μια θολή, απλωμένη μάζα. Ο Bohr υποστήριξε ότι η αλληλεπίδραση του φωτονίου και της σχισμής, ακόμα και η ελατηριωτή του Einstein, θα άλλαζε τις ορμές τους. Η μέτρηση της αλλαγής που κάνει το φωτόνιο στην κίνηση των ελατηρίων – η αλλαγή στην ορμή της σχισμής – θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξαχθεί η αλλαγή στην ορμή του φωτονίου και αυτό θα θόλωνε τη θέση του και θα κατέστρεφε το μοτίβο συμβολής, «ξεπλένοντας» τους δακτυλίους του.
Ο Einstein και ο Bohr δεν κατέληξαν ποτέ σε συμφωνία, αλλά η συζήτησή τους έγινε διάσημη. «Κάθε ερευνητής στον τομέα της κβαντικής επιστήμης την έχει συναντήσει με τον έναν ή τον άλλον τρόπο», λέει ο Philipp Treutlein στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην Ελβετία. Τον κάλεσα αφού έμαθα ότι δύο ξεχωριστές ερευνητικές ομάδες είχαν μετατρέψει αυτό το διάσημο gedankenexperiment σε πραγματικότητα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων ήταν όμορφα, λέει – μιμήθηκαν τόσο στενά αυτό που οραματίστηκαν ο Bohr και ο Einstein.
Αλλά ο Treutlein μου είπε επίσης ότι οι σύγχρονοι φυσικοί θεωρούν γενικά τη διαφωνία ήδη λυμένη. Ωστόσο, χρειάστηκε εκατό χρόνια για να ελεγχθεί πειραματικά στο εργαστήριο. Αυτό συμβαίνει επειδή τα φωτόνια είναι μικροσκοπικά και άμαζα, οπότε η δημιουργία ουσιαστικών σχισμών για το πείραμα απαιτούσε αξιοσημείωτο έλεγχο μικροσκοπικών κβαντικών στοιχείων. Οτιδήποτε μπορείτε να φανταστείτε όταν διαβάζετε «στενή σχισμή» είναι πιθανότατα ένα τετράκις εκατομμύριο φορές ή περισσότερο πολύ μεγάλο για να λειτουργήσει σε αυτό το πείραμα, λέει ο Chao-Yang Lu στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC). Για να το παρακάμψουν, η ομάδα του USTC και μια άλλη στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) κατασκεύασαν τις σχισμές τους υπό εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κάτι που καθιστά δυνατή τον έλεγχο μεμονωμένων ατόμων με δέσμες λέιζερ και ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς, μετατρέποντάς τα σε χρήσιμα υποκατάστατα σχισμών.
Οι δύο ομάδες χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικά σχέδια για την κατασκευή των υπερψυχρών, ελατηριωτών σχισμών τους. Και η ατομική φυσική του 21ου αιώνα διαθέτει καλά εδραιωμένα εργαλεία για τη μέτρηση του πώς ένα άτομο επηρεάζεται από ένα φωτόνιο που περνά. Ο Wolfgang Ketterle, επικεφαλής της ομάδας του MIT, το παρομοίασε με την ανίχνευση μιας ελαφριάς αύρας παρατηρώντας τα φύλλα των δέντρων. «Στην εικόνα του Einstein, το φωτόνιο περνάει μέσα από μια σχισμή. Η σχισμή αντιλαμβάνεται ότι πέρασε ένα φωτόνιο; Η σχισμή τρίζει; Ήμασταν πλέον σε θέση, με σύγχρονες τεχνικές, να προετοιμάσουμε άτομα σε μια τέτοια κατάσταση που όταν ένα φωτόνιο περνάει από τη ‘σχισμή’, το άτομο τρίζει», λέει. Και οι δύο ομάδες βρήκαν τον συμβιβασμό που προέβλεψε ο Bohr μεταξύ της ευκρίνειας του μοτίβου συμβολής και του πώς η ορμή των ατόμων επηρεαζόταν από το φωτόνιο. Το μοτίβο συμβολής, στην πραγματικότητα, εξαφανιζόταν ακριβώς όπως είχε προβλέψει.
Έτσι, μπορούμε να δούμε ένα φωτόνιο να συμπεριφέρεται ως σωματίδιο ή ως κύμα στο ίδιο πείραμα. Αλλά χάρη στις προόδους στην ατομική φυσική, μπορούμε να κάνουμε ακόμη περισσότερα: μπορούμε να αιχμαλωτίσουμε τη διπλή του φύση σε πραγματικό χρόνο.
Τόσο ο Ketterle όσο και ο Lu μου είπαν ότι τα πιο συναρπαστικά ευρήματα προέκυψαν όταν μέτρησαν μόνο ένα μέρος της πληροφορίας ανάκρουσης των ατόμων – μόνο έναν αδύναμο τριγμό – και παρατήρησαν επίσης ένα θολό μοτίβο συμβολής. Ακόμη και η μερική πληροφορία ανάκρουσης σήμαινε ότι έβλεπαν το φωτόνιο να κάνει κάτι σωματιδιακό. Ακόμη και μια ένδειξη του μοτίβου συμβολής αποκάλυπτε ομοίως την κυματοειδή του φύση. «Η ορατότητα της κυματοειδούς συμβολής και η διακριτότητα της σωματιδιακής διαδρομής δεν αποτελούν πλέον αμοιβαία αποκλειόμενες επιλογές ναι ή όχι», λέει ο Lu.
Όπως αποδεικνύεται, μπορείς στην πραγματικότητα να δεις και τα δύο κεφάλια του φωτός – απλά όχι πολύ καλά.