O nouă analiză salvează dualitatea undă-particulă cuantică

Un principiu de bază al mecanicii cuantice a fost reafirmat. Opriți presele. (Sau începeți tweetingul.)

În 2012, experimentatorii din Germania au arătat că puteți observa atât proprietățile undelor, cât și ale particulelor luminii într-un singur experiment. Acest rezultat a sfidat principiul dualității undă-particulă: undele pot fi uneori particule (și particulele pot fi uneori unde), dar niciodată ambele în același timp. Dar acum o nouă lucrare, publicată luna trecută în Proceedings of the National Academy of Sciencesrevalidează dualitatea, un pilon în explicarea misterelor cuantice dezvoltate de fizicianul danez Niels Bohr în anii 1920.

Nu este o surpriză, într-adevăr, ca fizica cuantică să reziste unui alt atac. Ar fi fost șocant dacă dualitatea ar fi fost cu adevărat răsturnată. Principiul lui Bohr care cere exclusivitatea reciprocă a proprietăților undelor și particulelor într-un singur experiment a supraviețuit multor provocări anterioare. Iar dualitatea a făcut parte din principiul mai general al complementarității al lui Bohr, o idee pe care el a dezvoltat-o ​​pentru a aborda crizele care afectează fizica odată cu ascensiunea mecanicii cuantice.

Când Bohr și-a dezvoltat faimosul model cuantic al atomului de hidrogen în 1913, speranța era mare că noua fizică cuantică, introdusă de Max Planck în 1900, va rezolva problemele cheie fără a crea știri. Dar Bohr a realizat altfel. El știa că atomul său era un rezerve; atomii mai complicati decât hidrogenul aveau nevoie de o reformulare complet nouă și mai radicală a teoriei fizice. Și pe măsură ce Bohr și adepții săi, inclusiv Werner Heisenberg, au acceptat provocarea atomului, alți fizicieni (în special Einstein) s-au îngrijorat mai mult de aspectele cuantice ale radiațiilor. Așa enigma val-particule a prăbușit petrecerea cuantică.

Einstein a provocat cele mai multe probleme. El a susținut că lumina a călătorit prin spațiu sub formă de particule (numite mai târziu fotoni), în ciuda tuturor dovezilor contrare. Încă de la începutul anilor 1800, majoritatea fizicienilor credeau că lumina consta din valuri, datorită unui experiment faimos al lui Thomas Young. Dacă trageți lumină printr-o barieră cu două fante pe o suprafață din spatele barierei, veți vedea benzi alternative de lumină și umbră, a arătat Young. Asta pentru că undele care trec prin diferitele fante interferează între ele, provocând strălucire în unele puncte și întunecare în altele. Dacă lumina ar fi fost făcută din particule, nu ar fi avut loc o astfel de interferență.

Dar un secol mai târziu, Einstein a insistat că doar fotonii ar putea explica efectul fotoelectric, în care lumina care lovește un metal face ca metalul să ejecteze electroni. În cele din urmă, Einstein a câștigat Premiul Nobel pentru acea lucrare, deși nimeni nu l-a crezut când a publicat-o în 1905.

În anii 1920, însă, Einstein nu părea atât de prost. Experimentele cu raze X (în principiu, lumină de înaltă energie) au arătat că acestea poartă impuls la fel ca particulele. La scurt timp după aceea, alte experimente au început să arate că electronii, presupus particule, prezintă proprietăți ale undelor.

Ai crede că ceva atât de ciudat ca asta – particulele care se prezintă sub formă de valuri – ar fi fost o surpriză experimentală șocantă, trimițându-i pe teoreticieni să se încurce să explice. Dar așa cum se întâmplă atât de des în știință, teoreticienii și-au dat seama deja. În acest caz, teoreticianul pionier a fost Louis de Broglie. Era intrigat de fizica cuantică și era, de asemenea, un fan al teoriei speciale a relativității a lui Einstein, care stabilise echivalența masei și energiei.

De Broglie nu a avut nicio problemă cu ideea lui Einstein despre particulele de lumină. La urma urmei, lumina este radiație electromagnetică sau energie. Dacă energia este echivalentă cu masa, atunci nu părea atât de ciudat ca lumina să prezinte proprietățile particulelor. Dar apoi de Broglie a dus acel raționament un pas mai departe. Dacă energia (undele) se poate comporta ca masa (particule), atunci de ce nu invers?

De Broglie a ajuns la această perspectivă realizând importanța frecvenței. Lucrările timpurii ale lui Planck și apoi Einstein au stabilit relația cuantică cheie dintre energie și frecvență – energia este pur și simplu egală cu frecvența înmulțită cu constanta lui Planck. Cu alte cuvinte, lumina cu frecvență mai mare (sau energia electromagnetică în general) posedă mai multă energie. Razele X, de exemplu, sunt o formă de radiație de înaltă energie, cu o frecvență mult mai mare (adică lungimea de undă mult mai mică) decât lumina vizibilă.

Deci, dacă frecvența este conectată la energie, iar energia și masa sunt același lucru, atunci și masele ar trebui să fie legate de o frecvență, a argumentat de Broglie. El a declarat că, prin urmare, trebuie să existe „un anumit proces periodic, de o natură încă nespecificată mai clar, care trebuie să fie atribuit fiecărei porțiuni izolate de energie” – adică particule. Și astfel, a decis el, puteți atribui „mișcării uniforme a fiecărui punct material . . . propagarea unei anumite unde, a cărei fază se propagă în spațiu cu o viteză mai mare decât cea a luminii.”

Whoa – mai repede decât lumina? Asta ar sfida relativitatea lui Einstein, nu-i așa? Nu în acest caz, a subliniat de Broglie, deoarece aceste valuri nu transportau ele însele nicio energie. Suprapunerea acestor unde misterioase, totuși, a produs o altă undă care ar călători exact cu aceeași viteză ca și particula. Deci, „energia de călătorie” transportată de particule ar putea fi văzută și ca energie transportată de o undă.

De Broglie și-a elaborat ideea în 1923 și și-a publicat teza despre aceasta în 1924. În 1926, fizicianul austriac Erwin Schrödinger a extins ideea undei pentru a explica proprietățile electronilor din atomi, în versiunea fizicii cuantice cunoscută sub numele de mecanică ondulatorie.

Schrödinger credea că electronii din atomi erau pur și simplu unde, orbitele lor constând din numere integrale de lungimi de undă. Dar chiar înainte de Schrödinger, Heisenberg a elaborat o descriere matematică echivalentă a electronilor din atomi, în care electronii erau în mod clar particule. Și în ciuda noilor experimente care arată proprietățile undelor pentru electroni, toate dovezile mai vechi că electronii sunt particule încă au rămas. Același lucru pentru lumină, care era încă un val atunci când voiai să fie, chiar dacă uneori se arăta ca particule.

Confruntat cu aceste probleme, Bohr și-a dezvoltat principiul complementarității în 1927. El a afirmat că unele vederi care se exclud reciproc asupra naturii ar putea fi ambele adevărate, dar nu în același timp. Exemplul său principal a fost dualitatea undă-particulă. În orice experiment dat, lumina (sau un electron) ar putea fi unul sau altul, dar niciodată ambele.

Bohr și-a ilustrat punctul de vedere cu un experiment de gândire faimos, analog cu demonstrația cu dublă fantă a lui Young a naturii ondulatorii a luminii. Cu o singură fantă într-o barieră, electronii s-ar comporta ca niște particule, lovind suprafața detectorului în puncte individuale, fără benzi de luminozitate sau întuneric care să indice interferențe. Dar cu o a doua fantă, electronii ar interfera, producând benzi de interferență. Simplu.

Dar aici este captura cuantică. Chiar dacă ați trimis electroni individuali prin barieră unul câte unul, prezența celei de-a doua fante a garantat un model de interferență – chiar dacă fiecare electron ar putea trece doar prin una dintre fante. (Apropo, a fost doar un experiment de gândire pe vremea lui Bohr, dar experimentele reale au confirmat ulterior că Bohr avea dreptate.)

Explicația lui Bohr s-a bazat pe faptul că, deși un electron a trecut printr-o singură fantă, prezența celei de-a doua fantă înseamnă că tu (observatorul experimental) nu știai prin ce fantă a trecut electronul. Dacă ai ști asta, ai fi sigur că este o particulă, iar modelul de interferență nu s-ar materializa. Cu alte cuvinte, nu puteai ști pe ce cale a luat electronul (făcându-l o particulă) și, de asemenea, să observi interferența (făcându-l o undă).

Exact asta a provocat experimentul din 2012, într-un experiment complicat (folosind fotoni în loc de electroni) în care părea că poți detecta interferența și, de asemenea, poți obține informații despre calea fotonului. Dar noua lucrare, a lui Eliot Bolduc de la Universitatea din Ottawa din Canada, cu Robert Boyd de la Ottawa și Universitatea Rochester din New York și alți colaboratori, a reanalizat provocarea și a găsit un defect.

În experimentele reale, relația dintre cunoașterea căii și interferență este complicată de prezența mediului. Nu ați dori să lucrați la matematică acasă, dar concluzia este că puteți avea un experiment care oferă atât probabilitate mare de a prezice calea, cât și probabilitate mare de observare a interferenței. Puteți alege să măsurați partea din mediu cu cele mai bune informații despre traseu sau partea din mediu cu cea mai mare vizibilitate a franjelor de interferență. Dar pentru a testa dualitatea, trebuie să vă asigurați că măsurătorile sunt la fel de sensibile la toate stările posibile ale sistemului (o cerință numită „eșantionare corectă”). Bolduc, Boyd și colegii săi au demonstrat că experimentul din 2012 a încălcat regula de eșantionare corectă.

„Arătăm cât de părtinitoare poate provoca o încălcare aparentă a principiului dualității”, au scris ei PNAS. „Conform analizei noastre, principiul dualității în forma sa standard este sigur și sănătos.”

În orice caz, principiul complementarității lui Bohr nu a fost niciodată în pericol. Wolfgang Schleich, unul dintre autorii lucrării din 2012, subliniază că nu a pretins că încalcă complementaritatea, ci doar „că cineva este ușor indus în eroare atunci când se gândește naiv la acest principiu”. Noua lucrare, scrie Schleich într-un e-mail, într-adevăr nu contrazice observațiile anterioare, ci pur și simplu le analizează dintr-un punct de vedere diferit.

Cu alte cuvinte, punctele de vedere diferite pot fi ambele corecte, ceea ce este exact despre complementaritatea.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried

---

Nota editorului: Două paragrafe au fost adăugate la sfârșitul acestei postări pe 6 octombrie 2014, pentru a include comentariile unuia dintre autorii lucrării din 2012.